Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 14
1.1. Анализ работы синхронных электроприводов главных механизмов буровых установок
1.1.1. Краткая характеристика нагрузочных диаграмм главных электроприводов буровой установки 14
1.1.2. Режимы работы синхронных электроприводов на буровых установках 20
1.2. Питающие сети буровых установок, уровень и качество напряжения 22
1.3. Анализ методов исследований синхронных электроприводов буровых установок 25
1.3.1. Краткая характеристика электрической системы буровых установок с синхронными двигателями 25
1.3.2. Методы исследований синхронных электроприводов и их математические модели 26
1.3.3. Оценка режимов работы синхронных электроприводов и критерии их оптимизации 31
1.4. Постановка задачи 35
В ы в о д ы 37
2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИ
ВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА БУРОВЫХ МЕХАНИЗМОВ И ИХ ПОКАЗАТЕ
ЛИ КАЧЕСТВА 39
2.1. Выбор метода исследований 39
2.1.1. Показатели качества режимов работы синхронных двигателей на буровых установках 39
2.1.2. Выбор метода математического моделирования исследуемой системы 40
2.2. Математические модели элементов электрической системы буровой установки 42
2.2.1. Уравнения трансформатора 43
2.2.2. Уравнения линии электропередачи 45
2.2.3. Уравнения синхронного двигателя 45
2.2.4. Уравнения асинхронного двигателя 48
2.2.5. Структурные уравнения связи элементов системы 49
2.2.6. Расчет показателей качества переходных режимов работы электроприводов 50
2.3. Методика проведения расчетов и анализа переходных ре
жимов работы электроприводов 52
В ы в о д ы 55
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЇЇИМ0В РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА БУРОВЫХ МЕХАНИЗМОВ И ИХ АНАЛИЗ 56
3.1. Исходные данные и программа исследований 56
3.2. Пусковые режимы работы синхронных и асинхронных электроприводов и их анализ 58
3.2.1. Пусковые характеристики синхронного двигателя 59
3.2.2. Взаимовлияние синхронных и асинхронных двигателей в пусковых режимах 62
3.2.3. Влияние линии электропередачи на пусковые режимы 66
3.2.4. Влияние разрядного сопротивления на пусковые характеристики синхронного двигателя 68
3.2.5. Анализ пусковых режимов синхронных двигателей 70
3.3. Исследования устойчивости синхронного электропривода
при конечных возмущениях 75
3.3.1. Методика исследований и показатели сравнения 75
3.3.2. Устойчивость работы синхронного электропривода при набросе нагрузки 76
3.3.3. Определение границ изменения тока возбуждения синхронного двигателя 88
3.4. Обобщенные показатели качества переходных режимов ра
боты синхронного электропривода 92
В ы в о д ы 95
4. УСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ БУРОВЫХ МЕХАНИЗМОВ И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА 97
4.1. Исходные положения и программа исследований 97
4.2. Реактивная мощность электроприводов 98
4.2.1. Реактивная мощность синхронного двигателя 98
4.2.2. Реактивная мощность асинхронного двигателя 103
4.3. Уровень питающего буровые установки напряжения 104
4.3.1. Уровень напряжения при работе единичной буровой установки 105
4.3.2. Уровень напряжения на буровой установке при изменении тока возбуждения синхронного двигателя 109
4.3.3. Уровень напряжения в электрической системе буровых установок 112
4.4. Вероятностные показатели качества электроэнергии на буровой установке 115
4.5. Ущерб от снижения качества напряжения при работе электроприводов 121
В ыв оды 12?
5. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА РЕНИМОВ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ БУРОВЫХ МЕХАНИЗМОВ 129
5.1. Анализ существующих способов оптимизации режимов работы синхронных двигателей и выбор критериев регулирования 129
5.2. Метод и алгоритм определения показателей качества напряжения в узле нагрузки с синхронными двигателями 133
5.3. Регулирование возбуждения СД на обеспечение оптимальных показателей качества электроэнергии и устойчивости работы 142
5.4. Устройство регулирования напряжения в узле нагрузки с синхронными двигателями 148
5.4.1. Реализация алгоритма регулирования напряжения 148
5.4.2. Параметры фильтров и системы регулирования, их выбор и оценка 150
5.4.3. Работа устройства регулирования напряжения 156
5.5. Устройство выравнивания нагрузок в двухдвигательных электроприводах буровой лебедки и повышение показателей качества их режимов работы 159
В ыв оды 165
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИНХРОННЫХ И АШШЮННЫХ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА БУРОВЫХ УСТАНОВКАХ 167
6.1. Методика проведения экспериментальных исследований 167
6.2. Пусковые режимы работы синхронных двигателей 168
6.2.1. Пуск единичного синхронного двигателя 168
6.2.2. Взаимовлияние пусковых режимов электроприводов 172
6.3. Устойчивость синхронного электропривода в электрической системе буровой установки 176
6.4 Реактивная мощность синхронных и асинхронных электроприводов 183
6.5 Экспериментальные исследования показателей качества напряжения на буровых установках 189
6.5.1. Определение показателей качества напряжения на буровых установках 189
6.5.2. Исследования качества напряжения на питающей подстанции 198
6.6, Испытания синхронных электроприводов буровой лебедки при автоматическом регулировании тока возбуждения 200
6.6.1. Датчики активного тока статора двигателя и питающего напряжения сети 200
6.6.2. Статический анализатор качества напряжения и его лабораторные испытания 202
6.6.3. Исследования устройств автоматического регулирования тока возбуждения синхронных двигателей на буровых установках 206
Выводы 209
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 211
ЛИТЕРАТУРА 214
ПРИЛОЖЕНИЯ 229
- Анализ работы синхронных электроприводов главных механизмов буровых установок
- Показатели качества режимов работы синхронных двигателей на буровых установках
- Исходные данные и программа исследований
- Реактивная мощность синхронного двигателя
- Анализ существующих способов оптимизации режимов работы синхронных двигателей и выбор критериев регулирования
Введение к работе
"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г," предусмотрено значительное развитие сырьевой и энергетической базы страны, одними из основных элементов которой являются нефть и газ. Для увеличения добычи нефти до 620-645 млн.т и газа до 600-640 млрд.куб.м в Х1-той пятилетке предусмотрено повышение буровых работ в 1,7 раза по сравнению с предыдущей пятилеткой, при увеличении буровых установок на 10 -s- 12$. Одним из факторов, позволяющих успешно решить поставленную задачу, является совершенствование режимов работы приводов буровых механизмов, направленных на повышение производительности труда и экономию энергозатрат при бурении скважин.
В настоящее время почти 50$ отечественных буровых установок (БУ) оснащены электрическим приводом и питаются от промышленных электросистем. Так, основное предприятие, выпускающее БУ, "Урал-маш" в Х1-той пятилетке изготовит с электроприводом более 70$ от общего выпуска комплектных установок. Около половины выпуска этих установок составляют установки БУ-3000, БУ-4000 с наиболее рациональным для них электроприводом на переменном токе.
Производится также модернизация действующих дизельных буровых установок с заменой дизельного привода электрическим. В условиях Западной Сибири при бурении скважин установками с электрическим приводом на переменном токе коммерческая скорость выше на 11,5%, механическая - на 17$ и себестоимость одного метра проходки уменьшается на 30$. Следовательно, дальнейшее усовершенствование и модернизация электроприводов переменного тока БУ является важной и актуальной народнохозяйственной задачей.
В зарубежной практике для привода БУ применяется в основном дизельный или дизель-электрический привод. Электропривод БУ с питанием от промышленных энергосистем развития не получил из-за узковедомственных частных интересов конкурирующих фирм.
Электропривод переменного тока главных буровых механизмов является отечественной разработкой, большим плодотворным и оригинальным трудом советских ученых и конструкторов. Создание эффективных и экономичных электроприводов переменного тока буровых механизмов потребовало глубокого изучения физических процессов, происходящих в системе буровой механизм-электропривод в переходных и квазиустановившихся режимах, а также всестороннего исследования режимов работы электроприводов на технико-экономические показатели бурения.
Большие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию новых систем электроприводов выполнены во ВНЙИЭлектропривод-е, ПО "Уралмаш", ПО "Баррикады", ВНИИНефтемаш-е, ВНИИБТ, ГИПРОТюменнефтегаз-е, АЗНИИЭТИ, в вузах страны - МИНХ им.Губкина, АзИННефтехим им.Азизбекова, Тюменском индустриальном институте, Львовском политехническом институте и др.
Имеются рекомендации и технико-экономические обоснования по выбору рациональных типов электроприводов буровых лебедок (ЕЛ), буровых насосов (Ей), ротора, регулятора подачи долота. Разработан и исследован синхронный электропривод БЛ и ЕН, позволяющий улучшить энергетические показатели приводов БУ в целом. Однако отсутствие в практике бурения эффективных и надежных в эксплуатации устройств автоматического регулирования возбуждения (AFB) синхронных двигателей (СД) не позволило найти наилучшего решения этой задачи. Отсутствие АЕВ СД и устройств компенсации реактивной мощности на БУ приводит к отклонениям и колебаниям напряжения на ее вводе из-за периодического изменения направления потоков реактивной энергии, вызванных технологическими особенностями про- цесеа бурения, снижающих показатели качества электроэнергии (ПКЭ) на БУ.
БУ переменного тока питаются в районах нефтедобычи протяженными временными линиями электропередачи от систем электроснабжения и понизительных подстанций, мощность которых соизмерима с мощностью установленного на БУ электрооборудования. Это требует проведения комплексных исследований рационального использования электрооборудования, в том числе и СД ЕЛ, СД Ей, направленных на повышение показателей качества электроэнергии на БУ и определяющих технико-экономические показатели работы БУ в целом.
В настоящее время в период экономного потребления электроэнергии и строгого ее учета, в период широкого внедрения полупроводниковых устройств регулирования и управления технологическими процессами, в первую очередь необходимо решить задачи улучшения показателей качества режимов работы электроприводов (ПКРР) включая и улучшение ПКЭ на БУ.
Решение такой задачи требует проведения комплексных исследований совместных режимов работы электроприводов буровых механизмов (ЕМ) с учетом ограниченной мощности электрической системы (ЭС). До настоящего времени такая оценка влияния параметров ЭС БУ на режимы работы электроприводов и работоспособность ЕМ не производилась. Производство нового комплектного электрооборудования для БУ в Х1-той и последующих пятилетках ставит задачу применения -уже на стадии проектирования - рациональных типов электроприводов, нахождения оптимальных режимов работы установленного на БУ электрооборудования и нахождения способов улучшения ПКРР.
Одним из способов улучшения ПКРР электроприводов и ПКЭ на БУ является применение автоматически регулируемых устройств компенсации реактивной мощности, в том числе и установленных на БУ СД с устройствами АРВ. Однако до настоящего времени всестороннего обос- нования и практикой проверенных рекомендаций по их применению нет. Нет также и достаточно эффективных устройств компенсации реактивной мощности, способных улучшить ПКЭ на БУ, а теоретические исследования в этой области весьма ограничены» Экспериментальные исследования, подтверждающие возможность и практическую целесообразность улучшения показателей качества режимов работы электроприводов БУ, разрозненные и недостаточно полные.
Цель работы. Установление закономерностей изменения параметров, характеризующих режимы работы синхронных двигателей буровых механизмов, их оценка, а также разработка и внедрение устройств на их основании, обеспечивающих улучшение показателей качества электроэнергии и повышение эксплуатационных показателей бурения скважин.
Идея работы состоит в улучшении режимов работы электроприводов переменного тока буровых механизмов и показателей качества электроэнергии в узле нагрузки системы электроснабжения ограниченной мощности путем автоматического регулирования тока возбуждения СД и напряжения сети по минимуму ущерба от его отклонений и колебаний.
Новые научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Методика исследования переходных и установившихся режимов работы одного или нескольких одновременно работающих электроприводов переменного тока, которая позволяет определять взаимовлияние одновременно работающих синхронных и асинхронных двигателей в системе электроснабжения ограниченной мощности с учетом специфики ведения технологических процессов, а также показатели качества режимов работы электроприводов.
Методика определения времени пуска СД и расчета ущерба от снижения качества напряжения при работе электроприводов буро- вых механизмов в зависимости от сопротивления ЛЭП. Аналитические зависимости и рекомендации по рациональному использованию СД, выбору параметров электрической системы буровых установок, а также устройств улучшения показателей качества режимов работы электроприводов.
Впервые установлено, что обобщающими показателями, характеризующими качество переходных и установившихся режимов работы синхронных электроприводов буровых механизмов, питающихся от систем электроснабжения ограниченной мощности, являются квадратично-интегральный показатель качества напряжения и неодинаковость напряжения сети.
Структуры синхронных электроприводов с устройством автоматического регулирования их тока возбуждения, отличающиеся тем, что для улучшения показателей качества напряжения содержат два контура регулирования по аналоговым величинам, пропорциональным составляющим неодинаковости напряжения, получении с помощью статистического анализатора качества напряжения по предложенному принципу.
Методика выполнения работы. Исследования выполнены методами: математического моделирования синхронных и асинхронных приводных двигателей буровых механизмов и элементов ЭС Ш с учетом особенностей режимов их работы путем применения цифровых вычислительных машин; физического моделирования на лабораторной установке и экспериментальными испытаниями на действующих буровых установках "Уралмаш-125 Э", "Уралмаш-160 Э", "Уралмаш-200 Э1У".
Аналитические расчеты переходных процессов производились на основании теории электромашинных систем с использованием методов и положений теории электромеханических переходных процессов в электрических системах. Расчеты установившихся режимов работы СД производились по уравнениям СД на основе теории двух реакций. Определение ПКЭ и разработка устройств АРВ в работе осуществлялась по теории вероятностей, корреляционной теории статически оптимальных систем, теории прикладного анализа случайных процессов.
Результаты математического моделирования и физического моделирования сопоставлялись с данными натурных испытаний. Объем испытаний определялся с использованием теории вероятностей при заданном количестве испытаний в выборке.
Достоверность установленных закономерностей изменения параметров, характеризующих режимы работы синхронных двигателей буровых механизмов,подтверждена достаточной для инженерных расчетов сходимостью расчетных и экспериментальных данных при заданной вероятности в 0,95 с максимальным расхождением 10 * 12%.
Значение работы. Полученные зависимости и методика расчета могут быть использованы при проектировании новых БУ с электроприводом БМ на переменном токе, а также при модернизации существующего парка электроприводов БУ в различных районах нефтедобычи СССР.
Практическая ценность. Предложенные математические модели ЭС БУ и методы исследований используются в проектно-конструкторской и научно-исследовательской практике при оценке режимов работы электроприводов переменного тока и расчете ПКЭ на БУ. По результатам исследований разработаны экспериментальные образцы устройств регулирования напряжения, устройств выравнивания нагрузок двухдвигательных синхронных электроприводов, кото- рые испытаны и внедрены на действующих БУ. Эти устройства защищены авторскими свидетельствами. Использование устройств позволяет значительно повысить эффективность, надежность работы электроприводов при улучшении ПКЭ на БУ.
Реализация результатов. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований используются: при разработке условий эксплуатации БУ от систем электроснабжения нефтепромыслов и выборе рациональных структур электроприводов БУ в ПО "Уралмаш"; при бурении скважин в Отрадненском УЕР объединения "Куйбы-шевнефть", Шебелинском УБР объединения "Укрнефть", Лениногорском УЕР объединения "Татнефть", Малгобекском УБР объединения "Гроз-нефть", где установлены опытные образцы устройств АРВ и устройств выравнивания нагрузок.
Результаты исследований качества напряжения на БУ переданы в ЦПКТБ-КЭМ (г.Ленинград) для их использования. Техническая документация на опытный образец АРБ СД типа СДЗБ-ІЗ-52-8 используется ЦКТБЭР (г.Москва) при разработке технического задания на опытно-конструкторскую работу. Подтвержденный экономический эффект от внедрения опытного устройства АРВ на один двигатель типа СДЗБ-ІЗ-52-8 составил 6,315 тыс.рублей.
Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на ХХХ-ХХХІУ научно-технических конференциях Львовского политехнического института (1973-1982 гг.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Разработка и внедрение нового электрооборудования для нефтяной промышленности в 1976-1980 годах" (г.Куйбышев, 1976), республиканском научно-техническом совещании "Вопросы обеспечения качества и надежности нефтяного электрооборудования" (г.Баку, 1976), Всесоюзном научно-техническом совещании "Повышение эффективности использова- ния топливно-энергетических ресурсов на предприятиях Миннефтепро-ма за счет совершенствования и внедрения нового электрооборудования" (пос.Дивноморск, Краснодарского края, 1978 г.), республиканском семинаре АН УССР "Математические модели и методы оптимизации качества электроэнергии" (г.Винница, 1979 г.), Всесоюзном семинаре энергетиков Миннефтепрома "Опыт работы энергетической службы отрасли по повышению надежности энергоснабжения, внедрения новой техники и экономии топливно-энергетических ресурсов (г.Москва, 1981 г.), Третьей Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы проектирования, эксплуатации бурового оборудования и повышения его надежности" (г.Свердловск, 1981 г.), республиканском семинаре "Теория и методы математического моделирования электромеханических преобразователей с учетом нелинейностей" по проблеме "Преобразование параметров электрической энергии" Научного Совета Ш УССР (г.Львов, 1983 г.), республиканской научно-технической конференции "Перспективы развития электромашиностроения на Украине" (г.Харьков, 1983 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе получено 2 авторских свидетельства.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 172 наименований и приложения. Основное содержание работы изложено на 150 страницах машинописного текста, иллюстрировано 55 рисунками, 8 таблицами.
Анализ работы синхронных электроприводов главных механизмов буровых установок
Электропривод лебедки должен обеспечить подъем и спуск бурильной колонны с заданной скоростью при дискретно меняющейся массе колонны на массу одной свечи. С целью оптимального использования электропривода [83] должно обеспечиваться поддержание постоянства мощности во всем диапазоне изменения массы бурильной колонны в процессе подъема и спуска. В существующих БУ для смягчения динамических ударов при подъеме колонны в системе СД - талевая система - бурильная колонна и формирования требуемых тахограми движения применяются различные оперативные муфты включения, в том числе и электромагнитные муфты скольжения (ЭМС). Для наиболее полного использования установленной мощности приводного двигателя лебедки при подъеме инструмента различного веса применяется редуктор-коробка перемены передач. В таком приводе двигатель используется только для подъема бурильной колонны, а при спуске колонны ее торможение производится различными типами тормозов (ленточный, электродинамический, гидромат). Генераторное торможение СД лебедки не применяется из-за трудностей, связанных с обеспечением плавности регулирования скоростей спуска и точной остановки инструмента.
Нашли применение для лебедки и двухдвигательнне привода, как с асинхронными, так и синхронными двигателями (установки "Уралмаш-4 Э", "Уралмаш-160 Э", "Уралмаш-200 ЭХУ").
Электромагнитная мощность, а следовательно, и развиваемый приводным двигателем момент зависит от веса инструмента и выбранной скорости его подъема. На рис.1.1 приведена типичная регистограмма активной мощности СД БЛ установки БУ-80БрЭ, снятой при подъеме инструмента (двигатель СДЗБ-ІЗ-42-8, Ри = 450 кВт), а также осциллограммы, снятые при подъеме инструмента двигателем этого же типа и мощности с применением оперативной муфты скольжения ЭМС-750 в приводе лебедки установки "Уралмаш-ІбО Э". Как следует из регисто-грамм и осциллограмм, нагрузка СД БЛ аналогична ударной нагрузке синхронных приводных двигателей прокатных станов [120].
Продолжительность нагрузки может изменяться от нескольких секунд при подъеме элеватора до нескольких десятков секунд (рис.1.1), поэтому ее следует рассматривать как ударную с переменной продолжительностью и изменяющейся установившейся мощностью на каждой передаче редуктора. На рис. 1.2 приведены рассчитанные по [5 ] зависимости активных и реактивных мощностей при подъеме инструмента различного веса в функции глубины скважины для установки "Уралмаш-125 Эм, которые можно считать типичными для установок с нерегулируемым синхронным электроприводом БЛ. Там же приведен график обобщенной нагрузки СД лебедки этой же установки при проходке условной скважины. Расчет выполнен из условия, что БУ питается от сети бесконечной мощности. При наличии системы электроснабжения ограниченной мощности и протяженных ЛЭП изменения активной и реактивной мощности СД при переменной нагрузке становятся еще более значительными [49]
class2 МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИ
ВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА БУРОВЫХ МЕХАНИЗМОВ И ИХ ПОКАЗАТЕ
ЛИ КАЧЕСТВА class2
Показатели качества режимов работы синхронных двигателей на буровых установках
Внедрение новой техники и интенсификация производства ставит на повестку дня вопрос о разработке и применении новых методов исследований и критериев оценки работы сложных систем, к которым относятся и ЭС БУ.
Важным в определении результатов исследований является их качественная оценка, что в свою очередь требует четкого определения понятия "качества".
По определению академика О.Антонова, - "качество" - это отношение потребительской стоимости к стоимости, - т.е. то, что обеспечивает наибольшую эффективность при наименьших затратах"35. Качеством необходимо характеризовать работу и электродвигателей. Основным показателем, характеризующим качество работы электродвигателя ЕМ, является способность выполнять им требуемые технологическим процессом операции с наименьшими затратами.
СД, установленные на БУ, работают как в переходных, так и в установившихся режимах, и обладают способностью существенно влиять на уровень напряжения на шинах БУ, работая в режиме синхронного компенсатора. Поэтому к показателям качества режимов работы (ІЖРР) СД БУ следует отнести:
I. Показатели качества переходных режимов СД (ПКПР), а именно: время переходного процесса, максимальное отклонение и колебательность исследуемых параметров, зависящих от внешнего приложенного воздействия, вызвавшего процесс [156]. Для их оценки требуется построение расчетных зависимостей переходного процесса или получение экспериментальных осциллограмм, а следовательно, и определение таких количественных мгновенных величин, как ток, напряжение, электромагнитный момент и др.
2. Показатели качества электроэнергии (ПКЭ) - к основным из которых относятся колебания и отклонения напряжения. Эти показатели могут определяться как расчетным путем, так и с помощью экспериментальных данных, применяя приборы статистического контроля.
class3 ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЇЇИМ0В РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА БУРОВЫХ МЕХАНИЗМОВ И ИХ АНАЛИЗ class3
Исходные данные и программа исследований
Исследования переходных режимов работы электроприводов производим на основании методики, изложенной в разделе 2.
Расчетным путем определялись: уровень напряжения на шинах БУ; токи в статорных обмотках СД, АД и обмотках трансформатора; частота вращения СД и АД; электромагнитные моменты СД и АД; показатели качества режимов работы (IKPP).
Основные элементы ЭС БУ следующие:
1. Синхронный двигатель СДЗБ-ІЗ-52-8.
2. Асинхронный двигатель типа АКБ-І5-4І-8Б2.
3. Трансформатор подстанции типа ТШ - 4000 кВА, 35/6,3 кВ.
4. ЛЭП с проводом марки А-95.
Расчетные формуляры указанных двигателей приведены в приложении 3.
При исследовании переходных режимов работы электроприводов БМ с учетом ограниченной мощности ЭС БУ определялись:
1. Особенности протекания переходных процессов и возможность их улучшения.
2. Максимальные значения переходных токов, напряжений и электромагнитного момента СД и АД.
3. Пределы отклонения уровня напряжения на зажимах двигателей.
4. Устойчивость работы СД при различных режимах работы и наличии внешних возмущений.
5. Показатели качества переходных режимов работы СД.
Теоретические исследования производились с целью установления закономерностей изменения перечисленных выше параметров и дальнейтого их использования для выработки рекомендаций и выбора способов и устройств, позволяющих повысить качество режимов работы электроприводов БМ и питающего напряжения.
В отечественной и зарубежной литературе имеются отдельные работы по исследованию пусковых режимов работы СД [65,88,91], в которых учитываются снижения напряжения сети и ограниченная мощность ЭС. Имеются отдельные разрозненные работы по изучению электромагнитного момента СД и его колебаний [162,166], а также влиянию разрядного сопротивления в обмотке возбуждения на пусковые характеристики СД [95] и момента инерции привода на длительность и характер протекания переходного процесса.
Реактивная мощность синхронного двигателя
Имеется много аналитических методов определения реактивной мощности СД. Методы расчета [9,76,80,130] учитывают изменение напряжения сети и активного сопротивления статора двигателя. В [4, 81,84,125] разработаны методы расчета, учитывающие насыщение синхронной машины по продольной оси. В [140] предложен метод учета насыщения при изменениях напряжения сети и линеаризованных нелинейных электромагнитных связях в машине. Однако практического применения он не нашел ввиду сложности получения динамических индук-тивностей реакции якоря насыщенного синхронного двигателя.
К методам расчета, учитывающим насыщение машины и уровень напряжения сети,относятся и метод, представляющий ток возбуждения синхронной машины как сумму реактивной и активной слагающей [93], а также экспериментальные методы [ТОО], включая и метод планирования эксперимента [27].
Такое многообразие методов расчета реактивной мощности СД вызвано актуальностью задачи и желанием получить точные расчетные характеристики. Однако наличие ЛЭП со значительным сопротивлением приводит к изменению уровня напряжения сети и на зажимах СД (раздел 1),что опять приводит к изменению реактивной мощности СД. В свою очередь изменение реактивной мощности СД приводит к отклонению напряжения на зажимах СД, что не учтено в большинстве методик. Следует отметить,что имеется простая методика расчета [4],позволяющая достаточно точно определить реактивную мощность насыщенного СД с учетом режима работы ЭС. Эта методика с необходимыми дополнениями принята нами для определения реактивной мощности СД в ЭС БУ.
Анализ существующих способов оптимизации режимов работы синхронных двигателей и выбор критериев регулирования
Проведенные теоретические исследования (разделы 3 и 4) и данные эксплуатации СД БМ в ЭС БУ показывают, что их ПКРР низки и требуют улучшения. Значительно улучшить, или частично оптимизировать ПКРР СД можно с помощью их автоматического регулирования тока возбуждения (АРВ).
В [95] указаны основные направления решения задачи оптимизации режимов работы СД общепромышленных механизмов, к которым следует отнести:
1) наилучшее использование СД,как электрической машины, с точки зрения ее рабочих характеристик (перегрузочной способности Л » COSU), П ) при обеспечении высокой устойчивости и гашении качаний;
2) обеспечение режимов работы питающей сети с минимальными потерями энергии;
3) местное регулирование реактивной мощности в узле нагрузки с целью обеспечения высоких технико-экономических показателей всех электропотребителей.
Особенности режимов работы СД БМ в ЭС БУ позволяют определить пути улучшения их ПКРР, к основным задачам которых следует отнести:
1. Обеспечение необходимой перегрузочной способности СД с учетом параметров ЛЭП и возможных колебаний напряжения питающей сети.
2. Обеспечение высоких ПКЭ на вводе БУ.
В качестве критериев регулирования тока возбуждения СД в ЭС БУ могут быть:
I. При повышении ПКЭ и качества режимов работы:
а) минимум функционала, пропорционального изменению нагрузки и квадрату отклонения напряжения от оптимального [95];
б) минимум отклонения напряжения от номинального на шинах подстанции с кратковременной форсировкой напряжения [95];
в) функционал, учитывающий отклонения напряжения и вероятностные характеристики изменения нагрузки [17,20].
2. При обеспечении перегрузочной способности СД и его экономичности:
а) минимум интеграла модуля отклонения режимного параметра [71];
б) минимум потерь электроэнергии при обеспечении устойчивости двигателя [8,11];
в) постоянство перегрузочной способности двигателя [31,96].
Произведем краткий анализ и дадим оценку указанных критериев регулирования АЕВ.
В основу критериев регулирования, повышающих ПКЭ и качество режимов работы СД,заложено положение, что отклонение уровня напряжения от оптимального значения ухудшает ПКЕР и всего электрооборудования. При этом предполагается, что при отклонении уровня напряжения от оптимального значения изменяются суммарные затраты, включая и технологические, определяемые "минимумом издержек" или величиной ущерба [8,17,20,21,25,136] . При реализации таких критериев в устройствах АЕВ предусматривается, что в течение каждого технологического режима напряжение на шинах трансформатора и в узле нагрузки будет поддерживаться оптимальным, при каждом мгновенном изменении его уровня.
