Определение оптимальных условий подачи резервного питания на двигательную нагрузку и способы ее реализации

Двигательная нагрузка в виде синхронных и асинхронных электродвигателей большой единичной мощности получила достаточно широкое распространение в системах электроснабжения промышленных предприятий с непрерывным технологическим процессом. Наличие двигательной нагрузки в системах электроснабжения таких предприятий предъявляет ряд требований к обеспечению надежности электроснабжения и обеспечению устойчивой работы двигательной нагрузки при кратковременных нарушениях электроснабжения во внешней сети. На сегодняшний день для повышения надежности электроснабжения промышленных предприятий с непрерывным технологическим процессом нашли широкое применение микропроцессорные устройства быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР) [1–3]. Использование микропроцессорных устройств БАВР в сочетании с современными быстродействующими выключателями позволяет выполнить подачу питания от резервного источника питания в максимально короткие промежутки времени. Однако быстрая подача резервного питания на выбегающие двигатели может привести к возникновению опасных уровней токов и электромагнитных моментов, поскольку в режиме выбега двигатели генерируют на общих шинах остаточное напряжение, отличное по величине и частоте от напряжения резервного источника питания. К примеру, при несинхронной подаче резервного питания на выбегающие двигатели величина токов статора может превышать номинальный ток в 15–20 раз [4], а электромагнитный момент – в 10–15 [5], что приводит к их преждевременному выходу из строя. В связи с этим подача резервного питания при нарушениях электроснабжения от основного источника должна выполняться при углах между напряжениями основного и резервного источников питания, которые обеспечивают уровень токов и электромагнитных моментов в электродвигателях в режимах самозапуска не больше уровня пусковых значений.

Цель работы

Целью данной работы является определение диапазона углов включения резервного источника питания и разработка способов подачи резервного питания для обеспечения уровней токов и моментов в электродвигателях при кратковременных нарушениях нормального режима электроснабжения не больше уровня пусковых значений.

Определение диапазона допустимых углов включения резервного источника питания

Поскольку значения токов и электромагнитных моментов электродвигателей в режимах само-запуска после кратковременных нарушений нормального режима электроснабжения зависят от величины угла между напряжениями основного и резервного источника питания, то с помощью математической модели, описанной в [6], выполним расчёт начальных мгновенных значений токов и моментов при подаче резервного питания на двигательную нагрузку в диапазоне углов от 0 до 360°. На рис. 1 приведены обобщенные результаты расчётов зависимости токов и электромагнитных моментов синхронного двигателя ДСЗ-2209 мощ-

Рис. 1. Графики зависимостей токов и электромагнитных моментов электродвигателей от угла включения резервного источника питания

ностью 2460 кВт и асинхронного двигателя ВДД 213/54-16 мощностью 1700 кВт от угла включения резервного источника питания. В качестве предельно допустимых значений токов и электромагнитных моментов были приняты пусковые значения токов и моментов.

Как видно из рис. 1, для асинхронного двигателя допустимыми углами включения резервного питания являются углы в диапазоне от 0 до 60° и от 320 до 360°, а для синхронного двигателя допустимыми углами включения являются интервалы углов от 0 до 40° и от 320 до 360°.

Полученные результаты показывают, что при использовании современных быстродействующих выключателей резервное питание на двигательную нагрузку может быть подано до достижения углом рассогласования между напряжениями основного и резервного источников питания 40°. Такая «быстрая» подача резервного напряжения может быть выполнена и с помощью обычных выключателей, но при условии, что суммарное время включения выключателя и время работы устройства БАВР не превышают времени достижения углом между напряжениями основного и резервного источников величины 40°. В противном случае подача резервного питания должна быть выполнена в диапазоне углов включения от 320 до 360°. Предпочтительным в таком случае будет синфазная подача резервного напряжения, то есть при совпадении по фазе напряжений основного и резервного источников питания (угол включения 360°), поскольку в этом случае величина токов и моментов самоза-пуска будет минимальной, как это видно из рис. 1.

Из вышесказанного следует, что для обеспечения допустимого уровня токов и электромагнитных моментов электродвигателей в режиме само- запуска подача резервного питания должна выполняться с контролем величины угла рассогласования между векторами напряжений основного и резервного источников питания. Величина угла рассогласования между векторами напряжений взаиморезервируемых секций на основе измеряемых мгновенных значений напряжений может быть определена по формуле

'),

“ 1А “ 2Л +“ 1В^2В +“ 1Г “ 2С

Ф = arccos

2      2      2       2      2      2

U1^+U1B+U1CJ (u2^+U2B+U2Cj где и1Л,и1В,и1С - мгновенные значения напряжений на секции основного источника питания;

ы2Л, u2B,u2C — мгновенные значения напряжений на секции резервного источнике питания.

Таким образом, контролируя в режиме реального времени изменение величины угла между векторами напряжений взаиморезервируемых секций при нарушениях нормального режима электроснабжения, можно выполнить «быструю» подачу резервного питания до достижения углом рассогласования предельно допустимых значений. В этом случае микропроцессорное устройство БАВР должно дать команду на включение выключателя резервного источника питания при следующих условиях: отсутствие тока на вводе секции основного источника питания; угол между векторами напряжений основного и резервного источников питания не превышает 40°; наличие номинального уровня напряжения на секции резервного источника питания. На рис. 2 приведены результаты математического моделирования «быстрого» переключения на резервный источник питания двигательной нагрузки, полученные с помощью математической модели, приведенной в [7].

Рис. 2. Результаты математического моделирования «быстрого» переключения на резервный источник питания

Из рис. 2 видно, что при исчезновении питания от основного источника питания в момент времени 7 с резервное питание на двигательную нагрузку было подано при величине угла между векторами напряжений основного и резервного источников питания 30°. При этом кратность тока самозапуска асинхронного двигателя составила 3,2 о. е. а синхронного – 3,9 о. е., что меньше пусковых значений. Время перерыва питания в этом случае составило 0,053 с.

Тем не менее «быстрая» подача резервного питания может быть реализована не всегда, поскольку из-за механических характеристик и коэффициента загрузки электродвигателей время достижения углом рассогласования предельно допустимого значения может оказаться меньше времени работы используемого выключателя. В этом случае подача резервного питания должна быть выполнена при совпадении по фазе напряжений взаиморезервируемых секций. На сегодняшний день существуют устройства синхронной подачи резервного питания с постоянным углом опережения, соответствующего времени включения выключателя резервного источника питания. Однако использование алгоритмов с постоянным углом опережения не всегда обеспечивает синхронность включения резервного источника питания из-за различия механических характеристик двигательной нагрузки и коэффициентов загрузки приводимых агрегатов в различных режимах эксплуатации, оказывающих существенное влияние на ско- рость изменения угла между векторами взаиморе-зервируемых секций. Указанных недостатков лишен способ синфазной подачи резервного питания [8], основанный на определении в режиме реального времени параметров аналитической зависимости угла между векторами напряжений основного и резервного источников питания от времени и определении момента подачи команды на включение резервного источника питания с учётом времени включения выключателя.

Результаты математического моделирования такого режима переключения на резервный источник питания приведены на рис. 3.

Как видно из рис. 3, после исчезновения питания от основного источника в момент времени 7 с резервное питание было подано через 0,33 с при первом совпадении по фазе напряжений основного и резервного источников питания. При этом угол включения составил 0°, кратность тока самозапуска для асинхронного двигателя составила 2,4 о. е., а для синхронного – 3,2 о. е., что меньше пусковых значений.

Результаты математического моделирования, приведенные на рис. 2 и 3, показывают, что при подаче резервного питания до достижения углом рассогласования предельно допустимого значения 40° или при совпадении по фазе напряжений основного и резервного источников питания кратность токов и электромагнитных моментов само-запуска электродвигателей не будет превышать пусковых значений.

Рис. 3. Результаты математического моделирования синхронного переключения на резервный источник питания

Результаты практических исследований

Предложенные способы подачи резервного питания были реализованы в микропроцессорном устройстве [9, 10] на базе с микроконтроллера STM32F4 и опробованы на лабораторном стенде, который представляет собой двухтрансформаторную подстанцию с двигательной нагрузкой в виде асинхронных двигателей напряжением 0,4 кВ. На рис. 4 приведены результаты работы алгоритма «быстрого» переключения на резервный источник питания.

Ток на вводе секции резервного источника питания

Напряжение на секции резервного источника питания

Угол между векторами напряжений ф, град----------.----------,----------.----------,----------.----------.-------

Рис. 4. Осциллограммы экспериментального исследования алгоритма «быстрого» переключения

Рис. 5. Осциллограммы экспериментального исследования алгоритма синхронного переключения

Как видно из рис. 4, при потере питания от основного источника переключение на резервный источник питания произошло через 0,13 с при угле между векторами основного и резервного источников питания, равном 35°, при этом уровень токов самозапуска двигательной нагрузки после восстановления питания не превысил пусковых значений.

На рис. 5 приведены осциллограммы токов и напряжений при переключении на резервный источник питания по алгоритму синхронного переключения.

Из рис. 5 видно, что после потери питания от основного источника питания резервное питания на двигательную нагрузку было подано через 0,383 с, а угол включения составил 359°. Уровень токов самозапуска электродвигателей при этом не превысил пусковых значений.

Выводы

• 1.    Методами математического моделирования определены диапазоны допустимых углов вклю-

• чения резервного источника питания, позволяющие обеспечить уровень токов и электромагнитных моментов в режимах самозапуска синхронных и асинхронных электродвигателей меньше уровня пусковых значений.

• 2.    С помощью математической модели и экспериментальных исследований подтверждена эффективность предложенных методов «быстрого» и синфазного переключения на резервный источник питания, которые могут быть использованы в микропроцессорных устройствах быстродействующего автоматического включения резерва для обеспечения допустимых уровней токов и моментов электродвигателей в режимах само-запуска.

• 3.    При подаче резервного питания с углом рассогласования не более 40° или при совпадении по фазе напряжений основного и резервного источников питания кратность токов и электромагнитных моментов самозапуска электродвигателей не будут превышать пусковых значений.