автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Управление реактивной мощностью электротехнических комплексов открытых горных работ с экскаваторной нагрузкой

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова

(технический университет)

На правах рукописи

4 / / ?

ПРОКОПЕНКО ИГОРЬ ВИКТОРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ С ЭКСКАВАТОРНОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Абрамович Б.Н.

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.............................................................. 9

1.1. Краткая характеристика узлов нагрузки горных предприятий с синхронными двигателями.............................. 9

1.2. Оценка режимов работы синхронного двигателя при регулировании реактивной мощности............................ 14

1.3. Управление реактивной мощностью электротехнических комплексов с использованием компенсирующих способностей синхронных двигателей.................................. 27

1.4. Цель и задачи диссертационной работы............................. 36

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА СИТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ РЕЖИМОВ ЭКСКАВАТОРОВ НА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ......................... 38

2.1. Система электроснабжения электротехнических комплексов открытых горных работ................................. 38

2.2. Показатели режимов напряжения и реактивной мощности за цикл экскавации............................................ 44

2.3. Оценка зависимости момента главного привода экскаватора от времени за цикл экскавации............................. 57

2.4. Прогнозные оценки режима реактивной мощности при формировании заданных расчетных значений................ 62

2.5. Выводы к главе 2.................................................................. 65

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСИРУЮЩИХ СПОСОБНОСТЕЙ СЕТЕВЫХ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭКСКАВАТОРОВ.................................................. 67

ЗЛ. Формулировка условий задачи, обоснование допущений..................................................................... 67

3.2. Структурная схема синхронного двигателя как источника реактивной мощности.......................................... 73

3.3. Зависимость изменения реактивной мощности синхронного двигателя от параметров нагрузки и напряжения питающей сети...................................................... 84

3.4. Моделирование режимов синхронных двигателей.......... 89

3.5. Выводы к главе 3.................................................................. 102

ГЛАВА 4. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЭКСКАВАТОРА.......... 104

4.1. Структура замкнутой системы регулирования синхронного двигателя по углу 0 и отклонению реактивной мощности............................................................. 104

4.2. Устойчивость контура реактивного тока (контура реактивной мощности).................................................. 110

4.3. Регулирование при скользящем осреднении графика нагрузки.................................................................. 112

4.4. Выводы к главе 4.................................................................. 115

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ

РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ УЗЛА НАГРУЗКИ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ........................................... 117

5.1. Схема устройства управления режимом реактивной мощности узла нагрузки.......................................... 117

5.2. Компоненты устройства управления........................... 120

5.3. Микропроцессорная система управления и регулирования возбуждением синхронного двигателя экскаватора..............................................................................................................................................124

5.4. Алгоритм управления возбуждением синхронного двигателя экскаватора..........................................................................................................133

5.5. Выводы к главе 5....................................................................................................................................143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................145

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................149

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................161

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на современных горнорудных предприятиях технологические процессы добычи и переработки полезных ископаемых, при современных методах интенсивной разработки месторождений, характеризуются значительными затратами электрической энергии. Основными энергоемкими потребителями при этом являются стационарные и передвижные установки большой единичной мощности. К таким установкам на открытых горных работах относятся синхронные двигатели мощных одноковшовых экскаваторов, доля потребления электроэнергии которых на карьерах с электровозной откаткой доходит до 40%, а на карьерах с автомобильным транспортом - до. 80% общего расхода электроэнергии.

Режимы систем электроснабжения предприятий горной промышленности с преобладанием синхронной нагрузки во многом определяются степенью использования располагаемой реактивной мощности (РРМ) синхронных двигателей (СД), которая в свою очередь определяется как требованиями энергосистемы к уровню потребления реактивной мощности в часы ее максимальных нагрузок, так и необходимостью стабилизации уровня напряжения в пределах, устанавливаемых ГОСТ 13109-87. Требования, предъявляемые энергосистемой к потребителям горной промышленности при проведении в их сетях мероприятий по компенсации реактивной мощности, реализуются за счет максимально возможного использования компенсирующей способности СД при заданном режиме электрической сети и технологического оборудования. Диапазоны использования реактивной мощности СД определяются допустимыми значениями тока возбуждения и зависят от значений напряжения статора, загрузки и технического состояния электрической машины.

Современное горнорудное предприятие имеет разветвленную сеть магистральных и радиальных линий электропередачи 6(10) кВ, питающую

мощные одноковшовые экскаваторы. Синхронные двигатели мощных одноковшовых экскаваторов работают с постоянным номинальным током возбуждения (например, ЭКГ-8И), либо с пониженным (например, ЭКГ-

12,5).

Работа СД экскаваторов с постоянным значением тока возбуждения при переменном характере активной нагрузки сопровождается изменениями реактивной мощности СД, что приводит к постоянным ее перетокам в системе электроснабжения предприятия, влияет на уровни напряжения в узлах нагрузки и величину потерь активной энергии и мощности.

Поэтому актуальной научной задачей является разработка средств управления режимом генерации реактивной мощности узла нагрузки горного предприятия путем автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя экскаватора с использованием технически и экономически обоснованных средств.

Вопросы разработки средств управления режимом реактивной мощности электротехнических комплексов с синхронными двигателями и ти-ристорным возбуждением являются предметом исследований, успешно выполненных Абрамовичем Б.Н., Глебовым И.А., Логиновым С.И., Смо-ловиком C.B., Орловым A.B., Круглым A.A., Купцовым А.Б., Шакаряном Ю.Г., Щуцким В.И., A.A. Plaks и др. Работы ведутся в АО «ВНИИэлек-тромаш», АО ЦПКТБ КЭМ, АО ВНИИЭ, ОАО «Миконт», фирмами General Electric, Westinghouse, Siemens, ABB и др. Однако, к настоящему времени, не решен комплекс вопросов, связанных с оценкой энергетических показателей экскаваторной нагрузки, характеристик и закономерностей вариации генерируемой реактивной мощности синхронных двигателей главных приводов экскаваторов при изменении нагрузки системы «забой -рабочая машина» и напряжения питающей сети. Отсутствуют рекомендации по реализации систем управления с учетом прогнозных оценок режимов реактивной мощности экскаваторов.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке системы управления реактивной мощностью электротехнических комплексов открытых горных работ с экскаваторной нагрузкой.

Идея работы заключается в выявлении закономерностей, характеризующих компенсирующую способность синхронных двигателей экскаваторов на открытых горных работах при регулировании тока возбуждения по углу 0, отклонению реактивной мощности, напряжению питающей сети и создании на их основе замкнутой системы управления с учетом параметров питающих линий, нагрузки на валу, прогнозных оценок и ограничений по режиму реактивной мощности.

Поэтому для практической реализации поставленной в работе цели были решены следующие задачи:

• выявлены энергетические показатели экскаваторной нагрузки электротехнических комплексов открытых горных работ с синхронными двигателями и тиристорным возбуждением;

• разработана математическая модель, позволяющая произвести оценку компенсирующих способностей сетевых синхронных двигателей экскаваторов на открытых горных работах;

• установлена закономерность изменения генерируемой реактивной мощности синхронного двигателя от параметров нагрузки экскаватора и напряжения питающей сети;

• разработана структура замкнутой системы регулирования синхронного двигателя по углу 0, отклонению реактивной мощности от заданного значения за расчетный период и оценена ее устойчивость;

• разработана система управления синхронными двигателями экскаваторов с учетом параметров питающих линий, нагрузки на валу, прогнозных оценок и ограничений по режиму реактивной мощности электротехнических комплексов открытых горных работ.

Разработанная система автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя главного привода экскаватора содержит дополнительный контур регулирования по реактивной мощности, устойчива и позволяет сформировать необходимый график нагрузки за расчетный период энергосистемы при вариации потребления (генерации) реактивной мощности электротехнических комплексов с экскаваторной нагрузкой. Прогнозные оценки выполняются с использованием программируемого контроллера, на вход которого поступает информация о фактической величине реактивной мощности узла нагрузки.

Система позволяет сократить потери напряжения и активной мощности в элементах электротехнических комплексов открытых горных работ и уменьшить оплату за потребление реактивной мощности.

ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

1.1. Краткая характеристика узлов нагрузки горных предприятий с синхронными двигателями

Технологические процессы добычи и переработки полезных ископаемых при современных методах интенсивной разработки месторождений характеризуются значительными затратами электрической энергии. Основными энергоемкими потребителями при этом являются стационарные установки большой единичной мощности. К таким установкам на горных предприятиях относятся вентиляторы главного проветривания, подъемные машины, компрессорные станции, водоотливные, насосные и другие установки.

В качестве приводов крупных стационарных механизмов, а также приводов экскаваторов, буровых установок находят широкое применение синхронные электроприводы, обладающие рядом преимуществ перед асинхронным и приводом постоянного тока. К основным преимуществам относятся:

• большая динамическая устойчивость при набросах нагрузки и изменении напряжения;

• способность компенсировать реактивную мощность, дефицит которой всегда имеется в питающих сетях ограниченной мощности с длинными линиями электропередач;

• возможность компенсировать полностью или частично потерю напряжения в питающих сетях путем регулирования тока возбуждения.

Поэтому, при оптимизации режимов работ систем электроснабжения в целом, значительное внимание уделяется минимизации потерь электро-

энергии за счет оптимального использования имеющихся синхронных двигателей.

Оптимальный режим работы синхронного двигателя в значительной степени определяется схемой и параметрами узла нагрузки промышленного предприятия. Крупные узлы нагрузки получают питание, как правило, от главных понижающих подстанций по линиям передач 110/35/6(10) кВ. При этом предусматриваются глубокий ввод, автоматический ввод резерва и автоматическое повторное включение. С целью повышения надежности питание ответственных узлов осуществляется от нескольких независимых источников [1].

Для каждого узла электрической системы должен быть предусмотрен резерв 10-15% суммарной реактивной мощности узла, т. е. избыток располагаемой реактивной мощности по сравнению с потребляемой для использования его в аварийных ситуациях. В приходную часть баланса реактивной мощности включается реактивная мощность синхронных двигателей (СД), являющихся средством местного регулирования напряжения и реактивной нагрузки. Многообразие схем узлов нагрузки с синхронными двигателями для промышленных предприятий может быть представлено четырьмя схемами (рис.1.1.), в которых АД - асинхронные двигатели; Р11Г и С)нг - активная и реактивная нагрузки прочих приемников; ИРМ - источники реактивной мощности; Хс и - приведенные к узлу индуктивное и активное сопротивления системы; Хл и - индуктивное и активное сопротивления линий [1]. На каждой схеме рис.1.1. показано по, одному АД и СД, но в действительности их число определяется конкретной схемой узла нагрузки. Двигатели, имеющие одинаковые параметры и нагрузку, заменяются одним эквивалентным. Эквивалентное преобразование может быть выполнено при необходимости в схемах с двигателями различных типов, работающих при различной нагрузке, с использованием метода средневзвешенных

параметров, метода эквивалентных контуров или метода эквивалентной схемы. Дополнительные источники ИРМ в узлах нагрузки применяются в случаях, когда располагаемой реактивной мощности СД недостаточно для компенсации или когда использование СД как ИРМ экономически не выгодно.

СД АД -Рщ^Онг СД АД Рнг + ]<2нг

Рис. 1.1. Схемы узлов нагрузки промышленных предприятий

Схема на рис. 1.1 а характерна для крупных узлов нагрузки, в которых осуществлен глубокий ввод (узлы нагрузки вблизи вводов промышленных предприятий). В таких узлах обычно осуществляется автоматическое регулирование напряжения под нагрузкой. Асинхронные двигатели могут отсутствовать. Отношение суммарных мощностей асинхронных и синхронных двигателей, при которых дополнительные ИРМ не подключаются (если экономически целесообразно использовать в качестве ИРМ синхронные двигатели), Ра.д/Рс.д=1,5-г2.

На крупных предприятиях в узле нагрузки может присутствовать собственная электростанция (металлургические, горные, химические предприятия). Схема а отражает понятие "шины бесконечной мощности". Учитывая необходимость ограничения токов к.з., в схемы узлов нагрузки всегда включают индуктивное сопротивление, отделяющее приемники от энергосистемы (реактивность трансформаторов, реакторов). На рис. 1.1, б узел нагрузки получает питание от системы с приведенными индуктивным и активным сопротивлениями Хс и 11с с учетом токоограничивающих средств. Сопротивления Хс и Р.с оказывают существенное влияние на оптимизацию режима работы узла нагрузки и СД из-за потерь в них напряжения и активной мощности. Величина Хс =0,05-^0,1. Данная схема характерна для узлов нагрузки, удаленных от главных вводов промышленного предприятия.

Схема в характерна для предприятий горной промышленности, где потребители получают питание по протяженным кабельным и воздушным линиям. В схеме г синхронные двигатели получают питание от протяженной линии передачи, в различных местах которой могут быть подключены различные нагрузки, и в первую очередь АД. Такая схема применяется в нефтяной промышленности при одновременном питании буровых установок и установок добычи нефти.

На характеристики узла нагрузки влияют также отношение мощности

отдельных двигателей к суммарной мощности узла нагрузки и график нагрузки. При значительных мощностях отдельных двигателей (до 30% мощности узла нагрузки) возникают проблемы с запуском этих двигателей, так как провалы напряжения могут превышать 30-40% номинального напряжения, что приводит к отключению остальных электроприемников узла нагрузки.

Мощность нерегулируемых ИРМ в узле нагрузки не должна превышать потребляемую реактивную мощность в часы наименьшей нагрузки. В течение суток реактивная мощность, генерируемая нерегулируемыми ИРМ, должна на 80-90% совпадать с потребляемой согласно графику реактивной мощностью [103], Выполнение этих требований в узлах со сложным графиком нагрузки и СД реализуется регулированием их тока возбуждения.

На открытых горных работах к наиболее энергоемким потребителям относятся синхронные двигатели главных приводов экскаваторов [10], доля электропотребления которыми на карьерах с электровозной откаткой достигает 40%, а на карьерах с автомобильным транспортом - до 80% общего расхода электроэнергии. Графики потребления активной и реактивной мощности синхронными двигателями указанных приводов характериз�