張文帥
(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)七元煤業(yè)有限公司,山西 壽陽(yáng) 045400)
煤礦生產(chǎn)以大型、大功率機(jī)電設(shè)備為主,在實(shí)際生產(chǎn)中大功率的沖擊性載荷會(huì)對(duì)整個(gè)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)造成沖擊,嚴(yán)重威脅供電網(wǎng)絡(luò)的安全,直接表現(xiàn)為在電路中存在過(guò)電流或者欠電壓的影響,對(duì)于煤礦的可靠、安全生產(chǎn)造成影響[1]。
提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的重要運(yùn)輸設(shè)備,其承擔(dān)煤炭、物料以及人員的運(yùn)輸,為了解決提升機(jī)的典型沖擊性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)造成的污染和諧波問(wèn)題,本文將重點(diǎn)設(shè)計(jì)提升機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案,并對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行仿真分析。
在煤礦生產(chǎn)中大型電子裝備應(yīng)用較多,包括大型直驅(qū)提升機(jī)、軟啟動(dòng)帶式輸送機(jī)等設(shè)備的頻繁啟動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。因此,為保證煤礦供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要對(duì)上述設(shè)備所造成的沖擊載荷進(jìn)行就地補(bǔ)償;此外,還需根據(jù)沖擊負(fù)載的變化率完成動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓ぷ鱗2]。
在實(shí)際生產(chǎn)中,為提升機(jī)配置的電動(dòng)機(jī)屬于直流電動(dòng)機(jī),本礦與其配套電動(dòng)機(jī)的功率為2 100 kW。提升機(jī)的主傳動(dòng)示意圖如圖1所示。
圖1 提升機(jī)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)示意圖
簡(jiǎn)單講,對(duì)于大功率負(fù)載的提升機(jī)而言,由于負(fù)載的變化其所產(chǎn)生的負(fù)載無(wú)功功率的變化對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)造成干擾;而且,當(dāng)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的短路容量又特別小時(shí)會(huì)加劇干擾現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中,提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分為6個(gè)階段,包括初加速度階段、主加速度階段、等速度運(yùn)行階段、減速運(yùn)行階段、爬行運(yùn)行階段以及停車(chē)抱閘運(yùn)行階段。在不同運(yùn)行階段對(duì)應(yīng)的有功功率和無(wú)功功率的大小與傳動(dòng)系統(tǒng)所配置整流器的觸發(fā)延遲角和負(fù)載電路值相關(guān)[3]。經(jīng)實(shí)際測(cè)量,提升機(jī)在上述6個(gè)不同運(yùn)行階段對(duì)應(yīng)沖擊功率(無(wú)功功率、有功功率、視在功率)如表1所示。
表1 提升機(jī)在不同運(yùn)行階段的沖擊功率值
為定量分析提升機(jī)負(fù)載變化對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊干擾問(wèn)題,一般通過(guò)對(duì)功率因數(shù)、電壓波動(dòng)以及電壓總諧波畸變率三項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求可知,對(duì)于標(biāo)稱(chēng)電壓為6 kV的供電網(wǎng)絡(luò)時(shí),在負(fù)載沖擊的影響下,整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)應(yīng)大于0.9,電壓的波動(dòng)率應(yīng)小于7%,電壓總諧波畸變率應(yīng)小于4%。
根據(jù)表1中提升機(jī)在不同運(yùn)行階段沖擊功率值可以得出:
1)提升機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程中的功率因數(shù)小于0.8,約0.725;而且在主加速階段的功率因素最低,僅為0.367。
2)在提升機(jī)運(yùn)行的不同階段中,供電網(wǎng)絡(luò)電壓的最大波動(dòng)率可達(dá)11.6%,而最小電壓波動(dòng)率僅為2.2%;
3)提升機(jī)在不同運(yùn)行階段的總電壓平均諧波畸變率為4.33%。
綜上,提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的影響,包括功率因數(shù)、電壓波動(dòng)率以及電壓總諧波畸變率均超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此,急需在標(biāo)稱(chēng)電壓為6 kV供電網(wǎng)絡(luò)的母線(xiàn)上設(shè)計(jì)一套動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,以有效解決功率因數(shù)、電壓波動(dòng)率以及電壓諧波畸變率不滿(mǎn)足要求的問(wèn)題。
當(dāng)前礦井生產(chǎn)為現(xiàn)代化礦井,其設(shè)備控制以電子元器件為主。從上述分析可知,由于提升機(jī)的負(fù)載變化對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)造成污染,導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)很低。因此,本文將結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案,包括對(duì)補(bǔ)償容量的計(jì)算、濾波裝置的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
結(jié)合提升機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)工況,其對(duì)應(yīng)的最大無(wú)功波動(dòng)量為提升機(jī)的最大無(wú)功功率(6 880 kVar)和最小無(wú)功功率(1 120 kVar)的差值,即最大無(wú)功波動(dòng)量為5 760 kVar=5.76 MVar。
2.1.1 無(wú)功波動(dòng)容量的計(jì)算
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)于標(biāo)稱(chēng)電壓為6 kV的供電網(wǎng)絡(luò)而言,電壓的波動(dòng)范圍不得超過(guò)其短路容量(50 MVA)的7%。因此,可以得出提升機(jī)的無(wú)功波動(dòng)容量為5.76 MVar-50×7%=2.264 MVar。
2.1.2 有功容量的計(jì)算
考慮最嚴(yán)格的條件,在補(bǔ)償之前的供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)cosφ1為0.367,補(bǔ)償滯后供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)cosφ2達(dá)到0.95,對(duì)應(yīng)的tanφ1=2.535、tanφ2=0.328 7。則可以得出,有功容量為5 250×(2.532-0.328 7)=11 583.075 kVar。
則可以得出需要的最大動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量為2.264+11.583=13.847 MVar。
由于本供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓波動(dòng)率和諧波電壓畸變率均不滿(mǎn)足要求。因此,還需為供電網(wǎng)絡(luò)配置有效的濾波電路,如圖2所示。
根據(jù)供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)和電壓諧波畸變率,需設(shè)計(jì)3次、5次、7次和11次濾波電路,對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表2所示。
圖2 濾波裝置對(duì)應(yīng)濾波電路的設(shè)計(jì)
表2 濾波電路參數(shù)
在圖1中傳動(dòng)電路的基礎(chǔ)上所得的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置如圖3所示。
圖3 提升機(jī)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接線(xiàn)圖
為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)提升機(jī)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)、電壓波動(dòng)率和電壓諧波畸變率的改善情況。基于MATLAB軟件建立動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器的仿真模型,并根據(jù)計(jì)算所得的補(bǔ)償?shù)娜萘亢捅?中濾波電路的參數(shù)進(jìn)行模型設(shè)置。
經(jīng)過(guò)仿真分析得出如表3所示的仿真結(jié)論。
表3 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器的補(bǔ)償效果
如表3所示,采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器后供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)、電壓波動(dòng)率和電壓諧波畸變率均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的大功率機(jī)電設(shè)備,其在啟動(dòng)階段產(chǎn)生的負(fù)載變化會(huì)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)造成沖擊,從而影響整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。本文在對(duì)當(dāng)前供電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)、電壓波動(dòng)率和電壓諧波畸變率分析的基礎(chǔ)上,采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器進(jìn)行改善。具體總結(jié)如下:
1)所設(shè)計(jì)控制器的補(bǔ)償容量為13.847 MVar;
2)在功率補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上,設(shè)計(jì)了3次、5次、7次、11次諧波濾波電路和高通濾波裝置;
3)通過(guò)MATLAB仿真分析,采用所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)、電壓波動(dòng)率和電壓諧波畸變率的改善滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。