Исследование работы синхронного двигателя при кратковременной потере питания для условий горных предприятий

В настоящее время на крупных горных предприятиях применяются синхронные электродвигатели (СД) большой единичной мощности. Пусковые токи таких электродвигателей значительно превышают величину паспортных номинальных значений, и в процессе эксплуатации они могут вызывать нарушение устойчивости режима узлов нагрузки. Поэтому исследование переходных процессов пуска после кратковременной потери питания является актуальной задачей, решение которой позволяет найти условия обеспечения электромагнитной совместимости синхронного электропривода и системы электроснабжения. При таких расчетах эффективным является метод моделирования электрических систем в различных математических пакетах.

Исследование публикаций по данной тематике показало, что, несмотря на значительное количество исследований в направлении повышения устойчивости работы СД при кратковременной потере питания, исследования, посвящённые этой тематике, не потеряли своей актуальности [1–3]. В качестве примера можно указать на работу [4], в которой приводятся результаты исследования по поддержанию устойчивости работы неявнополюсных синхронных двигателей.

Данная работа учитывает такие особенности систем электроснабжения горных предприятий, как: наличие двух источников питания с разными параметрами ЛЭП, влияние двух синхронных двигателей, подключенных к смежным шинам, друг на друга при групповом самозапуске.

В качестве объекта исследования был взят явнополюсный СД типа СДН-17-31-УХЛ4 ( Р _ном = 630 кВт, U _ном = 6 кВ, соsφ_ном = 0,9), который применяется на крупных горных предприятиях как привод вентилятора главного проветривания.

Модель синхронного двигателя

В данном исследовании задача моделирования электромеханических систем с синхронными машинами (СМ) решается в программном комплексе MATLAB (Simulink).

При этом в данной модели принимаются следующие допущения:

• 1)    моделирование выполняется в системе координат d – q ;

• 2)    насыщение и гистерезис намагничивающей характеристики магнитопровода не учитывается;

• 3)    эффект вытеснения тока не учитывается.

Схемы замещения модели синхронного двигателя в Simulink-модели MATLAB по синхронным осям имеют вид, представленный на рис. 1 [5].

На рис. 1 приняты следующие обозначения: d , q – синхронные оси координат; R , s – переменная, которая относится к ротору или статору; l , m – индуктивность рассеяния или намагничивания; f , k – переменная относится к обмотке возбуждения или демпферной обмотке.

В таблице [5] приведены необходимые параметры модели СД, полученные на основании паспортных данных явнополюсного двигателя типа СДН-17-31-УХЛ4.

Рис. 1. Схемы замещения синхронного двигателя в Simulink-модели MATLAB

Параметры модели СД, использованные при моделировании

Обозначение параметра	Название параметра	Значение параметра
^ ном , кВ	Номинальное напряжение двигателя	6
5Н0М, кВА	Номинальная полная мощность двигателя	700
COS^ hom	Коэффициент мощности двигателя	0,9
Х а , о.е.	Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси	0,97
X q , о.е.	Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси	0,61
х "а , о.е.	Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси	0,32
x " q , о.е.	Сверхпереходное индуктивное сопротивление по поперечной оси	0,29
Т ' й0, с	Переходная постоянная времени при разомкнутой обмотке статора	0,75
Т"м, с	Сверхпереходная постоянная времени при замкнутой обмотке статора	0,36
Ra, о.е.	Активное сопротивление статора	0,028
Lkd , о.е.	Индуктивность рассеяния демпферной обмотки по оси d	0,187
Lkq , о.е.	Индуктивность рассеяния демпферной обмотки по оси q	0,102
Lf , о.е.	Индуктивность рассеяния обмотки возбуждения	0,38
Rf , о.е.	Активное сопротивление обмотки возбуждения	0,23

Модель системы электроснабжения горного предприятия

Электроснабжение крупных горных предприятий как потребителей первой категории предусмотрено от двух источников. Нужно учитывать, что нередко восстановление питания после его аварийного прекращения происходит в условиях сниженной суммарной мощности источника питания (например, при аварийном отключении одного из двух вводов подстанции и автоматическом переводе всей ее нагрузки на другой ввод). Модель системы электроснабжения горного предприятия с учётом её особенностей приведена на рис. 2. Она включает в себя следующие элементы:

• –    трехфазные источники питания подстанций напряжением 35 кВ представлены блоками ВВОД 1 и ВВОД 2 и реализуются с помощью блоков Three-Phase Source из библиотеки SimPowerSystems;

• –    высоковольтные выключатели представлены блоками ВВС-35 II-20/630 и АВР и реализуются с помощью блоков Three-Phase Breaker из библиотеки SimPowerSystems;

• –    силовые трансформаторы представлены блоками ТДНС-16000/35/6 и реализуются с помощью блоков Three-Phase Transformer (Two Widing) из библиотеки SimPowerSystems;

• –    нагрузка на шинах 6 кВ представлена блоками 5 kW и реализуются с помощью блоков Three-Phase Series RLC Load из библиотеки SimPowerSystems;

• –    измерительными приборы представлены блоками Three-Phase V-I Measurment ;

• –    осциллографы представлены блоками Scope ;

• –    явнополюсные СД представлены элементами СДН-17-31-УХЛ , являющимися блоками Synchronous Machine из библиотеки SimPowerSystems;

• –    резисторы, подключаемые к обмотке возбуждения СД для реализации асинхронного пуска СД, представлены элементами R_Start ;

• –    элементы VF Source являются источниками постоянного напряжения для питания обмотки возбуждения;

• –    элемент Rate Limiter является блоком ограничения скорости изменения сигнала и необходим для реализации асинхронного пуска СД.

  

  Рис. 2. Модель системы электроснабжения

  
  

Исследование самозапуска СДпри кратковременной потере питания

Исследование самозапуска СД рассмотрено на примере аварийного отключения одного из источников питания вследствие аварии на подстанции (ВВОД 2) и переводе всей нагрузки на другой ввод (ВВОД 1).

Для реализации процесса пуска СД в модели реализован асинхронный пуск. При этом методе обмотку возбуждения замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого в несколько раз выше активного сопротивления обмотки возбуждения. После разгона ротора до подсинхронной частоты обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока. Постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм [6].

Кратковременная потеря напряжения реализуется следующим образом: ВВОД 2 обесточивается через 4 с (время, необходимое СД на вхождение в синхронизм и выхода на номинальную скорость) после начала работы с помощью блока ВВС-35 II-20/630 соответствующей линии, время срабатывания АВР и длина ЛЭП задаются различными для результатов исследования. При исследовании режима самозапуска на модели задаются следующие времена срабатывания защиты (АВР): tcp1 = 0,1 с, ^срг = 0,2 с, ^срз = 0,3 с, и длины линии электропередачи: 11 = 0,5Z, Z2 = Z, Z3 = 2Z ■

Для удобства анализа переходных процессов величины на графиках заданы в о.е. За базисные значения приняты ток статора /_ном = 67 А, скорость двигателя п_ном = 250 мин и длина ЛЭП Z = 11 км.

Графики переходных процессов для случая tcp2 = 0,2 с и Z2 = Z приведены на рис. 3. На графиках приведены зависимости изменения частоты вращения ротора и тока статора от времени tcp2 при длине ЛЭП Z2 = Z для следующих режимов: переходный процесс при пуске СД, установившийся режим, самозапуск СД при кратковременной потере питания, установившийся режим.

Анализ графиков переходных процессов для заданных времен срабатывания защиты и длин линии электропередачи показывает, что при кратковременной просадке напряжения питания существенно возрастает ток статора, превышающий ток

ста тора при а с и нх рон ном п уске , а та кж е им е е т место просадка скорости СД.

П о ре зул ь та та м ана лиз а пере х одны х процес сов пос трое ны гра фик и з а вис им ос тей t_u = f (t_cp) (рис. 4) и /_и = f (t_cp) (рис. 5), где t _cp — время срабатывания АВР, t_u — врем я, з а которое дв ига тел ь в ы х од и т н а н о м и нал ь н у ю скорос ть пос л е восстановления питания в секундах, 1_и — максимальное з н ач ен и е т о к а ст ат о р а п р и к р ат к о вр емен н о й п ро с ад к е н ап р я жен и я пи т ани я в о т н о си т ель н ы х еди ни ц а х, п р и д ли н а х п и т ающ ей ли ни и: 1_г = 0,5l, i₂ = i, г₃ = 21.

Анализ графиков на рис. 4 показывает, что с увеличением времени срабатывании АВР от 0,1 до 0,3 с, и длины ЛЭП время выхода СД на номи- нальную скорость после восстановления питания возрастает от 1 до 1,9 с.

Анализ графиков на рис. 5 показывает, что во всех рассмотренных случаях ток статора двигателя при самозапуске превышает пусковой ток. С увеличением времени срабатывании АВР от 0,1 до 0,3 с, и увеличением длины ЛЭП ток статора СД изменяется от 2,1 до 5,3 о.е., т. е. возрастает почти в 1,5 раза, что необходимо принимать во внимание при выборе СД и его защиты .

На рис. 6 показаны графики изменения частоты вращения ротора и тока статора при l₂ = l и увеличении t_cp до 0,4 с. Из приведённых графиков видно, что в этом случае имеет место выпадение СД из синхронизма.

Рис. 4. Графики зависимостей t_u = f (t_cp) при длинах питающей линии: « ! = 0,5f , Z₂ = Z , 1₃ = 21

Рис. 5. Графики зависимостей 1_и = f (t_cp) при длинах питающей линии: l₁ = О, 5Z , l₂ = l , 1₃= 21

Рис. 6. Графики изменения частоты вращения ротора и тока статора при l₂ = l и t_cp = 0,4 с

Заключение

П о ре з у л ьтата м в ы полне н ных ис сл е дов ани й сделаны следующие выводы.

• 1.    Ч е м бол ьше в ре м я с ра б а тыв а н ия з а щи ты АВР и дли на ЛЭ П от по дс та н ц ии до С Д , те м бол ьше в ре м е ни тре б у е тся дв и га тел ю для в ос с танов л ени я норм а л ь н ого режи м а ра боты. Э то в с в ою о че ре дь м ож е т прив е с т и к в ыпа ден ию С Д из си нхронизма.

• 2.    П ри с а м оз а п ус ке С Д ток с та тора в оз ра с та е т с увеличением времени срабат ы в ани и А В Р . При о т кл юче н и и от се т и о дн ого или гр у п пы двига тел е й на ши н а х п одста нц и и ра ст е т ос та точна я Э ДС и при этом ток в ключе н ия двига тел я м ож е т пре в ыш а ть п у с ков ой ток бол е е чем в 2 ра з а .

• 3.    Исследование системы электроснабжения горного предприятия при наличии СД на модели позволяет обоснованно подойти к выбору проектных решений и тем самым избежать осложнений при кратковременной потере напряжения на крупных горных предприятиях при эксплуатации электроприводов.