Система автоматической синхронной подачи резервного питания в системах электроснабжения с двигательной нагрузкой

Современные системы электроснабжения содержат большое количество двигательной нагрузки в виде синхронных и асинхронных электродвигателей, единичная мощность которых на сегодняшний день достигает нескольких десятков тысяч киловатт. К таким системам относятся промышленные предприятия с непрерывным технологическим процессом, а также системы собственных нужд электростанций. С целью обеспечения надежного электроснабжения ответственных потребителей в таких системах должно быть предусмотрено автоматическое включение резервного питания в случае нарушения электроснабжения от основного источника питания.

Однако наличие синхронных и асинхронных двигателей в таких системах оказывает существенное влияние на уровень остаточного напряжения на секции. Это обусловлено тем, что при потере питания двигательная нагрузка переходит в режим группового выбега и генерирует на общих шинах остаточное напряжение, затухающее по амплитуде и частоте. Несинхронная подача резервного питания в этом случае приводит к появлению в обмотках статора токов, превышающих номинальные токи в 15–20 раз, что существенно сокращает ресурс двигателя [1]. Возникающие при этом электромагнитные моменты в электродвигателях превышают номинальные в 10–15 раз, что является неприемлемым для ряда механизмов, которые в режиме своей работы не допускают значительных ускорений [2].

В последние годы уровень развития микропроцессорной техники и коммутационных аппаратов позволяет создавать интеллектуальные системы подачи резервного питания для схем электроснабжения с двигательной нагрузкой. Таким образом, достаточно широкое применение получили микропроцессорные устройства быстродействующего автоматического включения резерва (БАВР) [3–8], которые с целью ограничения токов и моментов в режимах самозапуска могут выполнять подачу резервного питания при совпадении по фазе остаточного напряжения на секции с двигателями и напряжения резервного источника питания. Команда на включение выключателя резервного источника питания в этом случае подается с углом опережения, установленным с учётом времени работы выключателя. Однако такой подход не всегда обеспечивает синхронную подачу резервного питания, так как в зависимости от механической постоянной времени и загрузки электродвигателей скорость изменения угла между остаточным напряжением на двигателях и резервном источнике будет непостоянной.

Цель работы. Целью данной работы является совершенствование способа синхронной подачи резервного питания в системах электроснабжения с двигательной нагрузкой.

Обоснование способа синхронной подачи резервного питания.

С помощью математической модели, описанной в [9, 10], выполним моделирование изменения угла между остаточным напряжением на двигателях и резервным источником питания при разных коэффициентах загрузки электродвигателей в режиме потери питания. В качестве двигательной нагрузки приняты асинхронный двигатель мощностью 1700 кВт напряжением 6 кВ и один синхронный двигатель мощностью 2460 кВт напряжением 6 кВ.

Н а рис . 1 при в е дены гра фи ки из м е нен ия на пряж ени я на с е к ци и с дви га те лям и и ре з ервного ис точн ика п и та ни я, а та к ж е угл а м еж д у н им и при о т кл юче н и и осн ов н ого и ст очни ка п ит а н и я, коэ ф ф и ц ие н т за гр у з к и а син х ронного д в и гат е л я ра в е н 80 %, а синхронного двигателя – 7 0 %, постоянные времени – 2 и 1,5 с соответственно.

Как видно из рис. 1, в мом ен т в рем е ни 6 с произ ошл о откл юче н ие п и т а ни я от ос нов ного и с точни ка п и та ни я. Оп ти м ал ь ное в ре м я дл я в к л юч е ни я рез е рв ного и сточн и ка п итан ия с оста вл яе т 6,285 с, т. е. че ре з 0, 28 5 с , к огда у гол м еж д у ос т а точным н а п ряж е н и ем двиг а те л ей и ре з е рв ным и сточником будет равен 0 градусов.

Н а рис . 2 при в е дены гра фи ки из м е нен ия на пряж ени я на с е к ци и с дви га те лям и и ре з е рв ного ис точн ика п и та ни я, а та к ж е угл а м еж д у н им и при о т кл юче н и и осн ов н ого и ст очни ка п ит а н и я, коэ ф ф и ц ие н т за гр у з к и а син х ронного д в и гат е л я ра в е н 110 %, а синхронного двигателя –70 %, постоянные времени – 5 и 1, 5 с с оот в е тс т в е н но.

Из рис. 2 видно, что после потери питания в момент времени 6 с момент совпадения по фазе остаточного напряжения на секции с двигателями и резервного источника питания происходит в момент времени 6,22 с, т. е. через 0,22 с после потери питания от основного источника.

Полученные результаты моделирования (см. рис. 1 и 2) показывают скорость изменения угла между остаточным напряжением на секции с двигателями и резервном источнике питания при разных коэффициентах загрузки и механических постоянных времени. В связи с этим подача резервного питания с постоянным углом опережения может привести к возникновению недопустимых уровней токов и электромагнитных моментов электродвигателей, если включение произойдет при углах, превышающих допустимые значения, которые согласно [9] составляют диапазон от 320 до 360 градусов.

Учитывая вышеуказанные особенности при реализации синхронной подачи резервного питания, определение момента подачи резервного питания должно определяться автоматически, независимо от коэффициентов загрузки и электромеханических постоянных времени электродвигателей.

Для этого в предлагаемом способе в режиме реального времени выполняется определение косинуса угла между напряжениями на секции с двигателями и резервном источнике питания на

Рис. 1. Графики изменения напряжений основного и резервного источников питания при потере питания (постоянная времени асинхронного двигателя – 2 с, синхронного двигателя – 1,5 с)

Рис. 2. Графики изменения напряжений основного и резервного источников питания при потере питания (постоянная времени асинхронного двигателя 5 с, синхронного двигателя 1,7 с)

основе измеряемых мгновенных напряжений по

формуле cos(^) =

U12 + U22-AU2

1^гии

где U 1 и U 2 – модули обобщенных векторов напряжений на электродвигателе и резервном источнике питания соответственно; ΔU – модуль вектора разности обобщенных векторов напряжения.

Модули обобщенных векторов U 1 и U 2 определяются по формулам:

^U! = J l ⁽u 1 _A+u 1 _B +u 1 _c) ;               (2)

^U2 = J | ⁽и 1 _л + u 1 _B + u l.c ) ,                (3)

^а1     t l -t i ^t2 ^Х

X ^V⁽t 1 ) - Ф(^1 о ) -7^ (v⁽t1) - Ф(1 о )у (11)

Для определения момента времени совпадения по фазе остаточного напряжения на секции с двигате-

где u_1A,u_1B,u_1C - мгновенные значения напряжений на секции с двигателями; u_2Д,u_2B,u_2C - мгновенные значения напряжений на резервном источ-

лями и резервного источника питания, т. е. достижения углом φ значения 360 градусов, подставив в выражение (7) φ(t) = 2π, получим квадратное уравнение а1 • t1 + а1 • t + (ао - 2п) = 0. (12)

Из решения уравнения (12) определяется время совпадения по фазе остаточного напряжения на секции с двигателями и резервном источнике питания по формуле

t =

-а₁± Ja 1 -4^a₂^(a₀—1n) 1^Й 2

нике питания.

Вектор разности обобщенных векторов напряжения A U определяется по формуле

2 2               2               2

^{A U} = J 3 ( ^{( u}1 A ^u 2 A ) ^{+( u} 1 B ^u 2 B ) ^{+( u}1C ^u 2 C ) ) • ⁽⁴⁾

Таким образом, зная время достижения углом

Таким образом, подставив выражения (2), (3) и (4) в (1), получим

cos(^) =

“ 1Л^2Л + “ 1В^2В +“ 1Г “ 2С

J(Ui ^ ⁺ Ui b⁺ Ui_C)^(u₂ ^ ⁺ U 2B⁺ U 2 _C)

между остаточным напряжением на секции с двигателями и резервном источнике питания и зная время работы выключателя, можно определить время подачи команды на включение выключателя для синхронного включения резервного источника питания по формуле tX = t3 - tвыкл, (14)

Величина угла между напряжениями двигателей и резервным источником питания φ определяется по формуле

Ф = arccos(^) .                            (6)

Как показывают исследования [10, 11], ско-

где t_выкл - время включения выключателя

В качестве углов для фиксации времени их достижения косинусом угла между остаточным напряжением на секции с двигателями и резервного источника питания предлагается использовать углы ф_о = п/3 , ф = п/2 , ф₁ = п .

рость изменения величины угла φ после отключения питания близка к скорости изменения квадратичной функции. Поэтому функция изменения величины угла от φ времени после отключения питания может быть представлена в виде квадратичной функции с коэффициентами а_о, а₁, а₁ :

ф(t) = а_о + а₁ • t + а₁ • t¹ .                  (7)

Для определения коэффициентов а_о,а₁,а₁ квадратичной зависимости угла φ от времени необходимо после отключения питания от основного источника в режиме реального времени фиксировать времена достижения косинусом угла cos(^) фиксированных значений, косинусов, соответствующих значениям углов ф(t₀), ф(t₁), v(t₁) . За начало отсчета времени примем момент времени Т о , и тогда t o = 0 , t 1 = Т 1 - Т о , t 1 = Т 1 - Т о . Таким образом, получаем систему уравнений:

V(to) = ао + а1 • to + а1

^(t1) = ао + а1 • t1 + а1 • t1;(8)

V(t1) = ао + а1 • t1 + а1

Коэффициенты ао,а1,а1 могут быть опреде лены из решения системы (8) по формулам:

ао = ^(ТоУ;(9)

а 1 = 7 • ⁽^⁽t 1 ) -а о -а 1 -1^ ;

С1

Результаты математического моделирования и практических исследований

На основе приведенных выражений (1)–(14) был разработан алгоритм для выполнения синхронной подачи резервного питания при потере питания от основного источника питания, блок-схема которого приведена на рис. 3.

На рис. 4 приведены результаты математического моделирования работы предложенного алгоритма синхронной подачи резервного питания. В качестве коммутационного оборудования при моделировании были приняты быстродействующие вакуумные выключатели с временем включения, равным 0,022 мс.

Как видно из рис. 4, потеря питания от основного источника питания произошла в момент времени 8 с, после чего величина угла между остаточным напряжением на секции с двигателями и резервным источником питания начала возрастать. В момент времени 8,308 с с учётом времени работы выключателя резервного источника питания была подана команда на его включение. В момент времени 8,33 с произошло включение выключателя резервного источника питания. Величина угла между остаточным напряжением секции с двигателями и резервным источником питания в момент включения составила 359 градусов.

Для технической реализации и экспериментальных исследований разработанный алгоритм был реализован на базе микроконтроллера STM32F407. На рис. 5 приведены результаты экспериментальных исследований на лабораторном стенде, который представляет собой двухтрансформаторную подстанцию с двигательной нагрузкой в виде асинхронных двигателей напряжением 0,4 кВ.

Как видно из рис. 5, потеря питания от основного источника питания произошла в момент времени 21,95 с, после чего началось возрастание величины угла между остаточным напряжением на секции с двигателями и резервным источником питания. В момент времени 22,311 с была подана команда на включение резервного источника питания с учётом времени работы его выключателя. В момент времени 22,333 с произошло включение выключателя резервного источника питания с углом между остаточным напряжением на секции с двигателями и резервным источником питания 358 градусов.

Полученные результаты математического моделирования и экспериментальных исследований показывают, что использование разработанного способа синхронной подачи резервного питания позволит обеспечить допустимый уровень токов и электромагнитных моментов двигательной нагрузки в режимах самозапуска [11].

Рис. 3. Блок-схема алгоритма определения времени совпадения фаз между напряжениями основного и резервного источников питания

Рис. 4. Результаты математического моделирования алгоритма синхронной подачи резервного питания

Рис. 5. Результаты экспериментальных исследований алгоритма синхронной подачи резервного питания

Выводы

• 1.    Ус ов е рше нс тв ов а н спос об с и нх рон ной п ода чи рез е рв ного п ит а н ия в с ис те м а х эл ектрос на бж ен и я с д в и га тел ьной на гр у з кой, который поз вол яет прогн оз иров а ть в ре м я с ов па де н ия фа з ос т аточного напряж ен ия на с екц ии с дв и га тел ями и резервном источнике питания.

• 2.    П од тв ерж д ена эффе кт ивнос ть ус ов е рше нств ов а н ного с пос об а с и нх р онн ой пода чи ре з е р в-

• ного питания из полученных данных математического моделирования и лабораторных испытаний для систем электроснабжения с электродвигатель-ной нагрузкой напряжением 6, 10 кВ.

• 3.    Усовершенствован способ синхронной подачи резервного питания может быть использован в устройствах автоматического быстродействующего включения резерва в системах электроснабжения с двигательной нагрузкой.