鞠 晨,劉法亮,原長鎖,段 喻,賀 博
(1.國能神東煤炭集團技術研究院,陜西 榆林 719315;2.西安交通大學電氣工程學院,西安 710049)
我國的煤炭遠景儲量達5.5萬億噸,其中己探明的儲量有1.2萬億噸,居世界第3位[1]。據(jù)有關機構預測,到2050年,煤炭在全國一次能源消費中仍將占到50%。隨著煤炭資源整合與企業(yè)兼并重組,煤炭企業(yè)正在向大型化發(fā)展,礦用電氣設備勢必向著智能化、自動化方向發(fā)展[2-3]。大型、大功率電力采礦設備的增加,煤炭行業(yè)人工費用比例降低,如何采取合理的措施管理煤炭企業(yè)成本,減少煤炭產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本成為企業(yè)關注的一個重要內(nèi)容[4-6]。而耗電成本占生產(chǎn)成本很大的比例,因此怎樣去提高設備對電能的利用率、提高工作效率、降低成本,已成為不可忽視的問題。
而在社會生產(chǎn)和生活中,憑借著結構簡單、運行可靠、調(diào)速方式簡單等一系列優(yōu)勢,異步電機一直處于主導地位[7-9]。在我國電氣傳動系統(tǒng)中,90%的電機為異步電動機,因此如何提高異步電機的生產(chǎn)效率是人們關注的重點問題[10-12]。而裝設合適的變頻調(diào)速系統(tǒng)是提高生產(chǎn)效率的重要手段[12-15]。近年來,各國學者和工程師對變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化提出了很多建議,并取得不錯的效果[16-20]。但是,不管采用何種優(yōu)化,變頻過程中諧波的產(chǎn)生總是不可避免的。這是因為變頻器中包含大量非線性元件,在變頻過程中其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次諧波[21-24]。變頻器輸出端的電壓會在電機定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中產(chǎn)生附加損耗,導致電機的整體能量轉(zhuǎn)換效率降低。變頻器輸入端的諧波會通過輸入電源線對公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響諧波的產(chǎn)生會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不小的沖擊。尤其是設備運行監(jiān)測系統(tǒng)[25-26],大量的諧波會影響監(jiān)測設備正常的判斷能力,產(chǎn)生錯誤的信息。
為了更好的分析變頻器的接入和網(wǎng)側(cè)傳輸線路的選取對異步電機系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,筆者詳細研究了網(wǎng)側(cè)傳輸線的類型對于礦用變頻電機系統(tǒng)的影響,以指導礦用變頻電機系統(tǒng)的理論分析和工程設計。與此同時,針對礦用電機系統(tǒng)常見的雷擊、兩相短路、三相短路、堵轉(zhuǎn)故障和多臺礦用電機同時運行時單臺故障等各種系統(tǒng)故障可能出現(xiàn)的情況進行了研究。通過對不同傳輸線模型下系統(tǒng)發(fā)生故障時的現(xiàn)象進行比較,觀察兩者的差異,從而指導故障監(jiān)測裝置正確運行。通過仿真,揭示了由于變頻器的引入造成的網(wǎng)側(cè)傳輸線特性與系統(tǒng)性能之間的重要聯(lián)系,具有重要的理論意義和工程應用價值。
考慮變頻器和傳輸線效應的電機系統(tǒng)示意圖見圖1。
圖1 考慮變頻器和傳輸線效應的電機系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic of a motor system with converter and transmission line effect
其中假設電網(wǎng)側(cè)為理想電壓源,通過變頻器將恒頻恒壓的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成頻率幅值均可調(diào)的交流電,供給異步電機使用。通過變壓器和傳輸線路將電網(wǎng)中的電能同時供給多個帶有變頻器控制的異步電機,用以分析單個異步電機和多個異步電機的交互影響。為更好的研究傳輸線路參數(shù)模型對系統(tǒng)造成的影響,傳輸線路采用集總電路和分布電路兩種分析方法分別進行分析。電路模型中變壓器額定功率為250 MVA,二次側(cè)額定電壓660 V;電機額定容量37.3 kW/臺;變頻器為ZJT-2*250/660型本質(zhì)安全型變頻器;傳輸電纜電阻為0.132 Ω/km,電抗為0.066 Ω/km。
根據(jù)此前分析,針對5類故障進行分析:雷擊故障、兩相短路故障、三相短路故障、堵轉(zhuǎn)故障、單臺電機故障。其中短路故障利用Matlab自帶的故障發(fā)生器模擬,堵轉(zhuǎn)故障通過典型PID閉環(huán)控制中電機輸出轉(zhuǎn)矩方程及電路方程聯(lián)立求解模擬,通過合適的條件判別設置,可實現(xiàn)電機啟動過程中因負載轉(zhuǎn)矩大于最大輸出轉(zhuǎn)矩而導致的啟動階段堵轉(zhuǎn)及運行中因外部負載突增而導致的運行中堵轉(zhuǎn)。
雷擊是使系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的重要原因之一。因此,分析雷擊對傳輸電纜產(chǎn)生的影響具有重要意義[27-29]。本研究分別使用集總參數(shù)和分布參數(shù)對雷擊在輸電線所產(chǎn)生的過電壓進行了分析。在集總參數(shù)模型下雷擊所致的輸電電纜過電壓的A相電壓波形隨與雷擊點距離掃描結果見圖2。分布參數(shù)模型下雷擊所致的輸電電纜過電壓的A相電壓波形隨與雷擊點距離掃描結果見圖3。
圖2 集總參數(shù)模型下雷擊故障Fig.2 Lightning strike fault in lumped parameter model
圖3 分布參數(shù)模型下雷擊故障Fig.3 Lightning strike fault in distributed parameter model
從數(shù)值上看,集總參數(shù)下計算所得到的過電壓幅值在1.63 MV左右,分布參數(shù)下計算所得到的過電壓幅值在0.85 MV左右,兩者之間存在較大的差異;從暫態(tài)過程來看,集總參數(shù)下的電壓波形相較于分布參數(shù)的振蕩頻率更高。
2.2.1 參數(shù)掃描
為尋找極限情況,對故障發(fā)生相位進行參數(shù)掃描,故障相位掃描結果見圖4、圖5。
圖4 定子a、b、c相電流故障相位掃描結果Fig.4 Scanning results of current faults for stator a, b, c phase
圖5 定子a、b、c相電流傳輸線線長掃描結果Fig.5 Scanning results of transmission line length for stator a, b, c phase
由圖4可知,α=180°時,定子a、b、c相電流變化最為劇烈?;诠收舷辔粧呙杞Y果,對傳輸線線長進行參數(shù)掃描。由圖5可知,線長L=200 m定子a、b、c相電流變化最為劇烈。因此,為了更明顯的表現(xiàn)傳輸線路和變頻器對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,選定線長為200 m的傳輸線路進行仿真并假設故障發(fā)生相位為180°。
2.2.2 兩相短路故障數(shù)據(jù)分析
兩相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖見圖6。由圖6(b)和圖6 (e)的比較可知,無論是采用何種參數(shù)模型,變頻器都會使得系統(tǒng)產(chǎn)生250 Hz、350 Hz的諧波分量。但是對比圖6(a) 、圖6 (d)的電流波形圖可以很明顯的觀察到,傳輸線路采用集總參數(shù)模型發(fā)生兩相短路故障時都會有上沖現(xiàn)象產(chǎn)生。并且集總參數(shù)傳輸線含變頻器情況下,A相電流的上沖幅值最大。而模型采用分布參數(shù)模型情況下,A相電流則不存在上沖現(xiàn)象。
圖6 兩相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖Fig.6 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with two-phase short-circuit fault
2.3.1 參數(shù)掃描
為尋找極限情況,對故障發(fā)生相位和傳輸線線長進行參數(shù)掃描,故障相位掃描結果見圖7 (a),傳輸線線長掃描結果見圖7 (b)。
圖7 參數(shù)掃描結果Fig.7 Parameter scanning results
由仿真結果可知,α=0°,線長L=200 m時,定子a、b、c相電流變化最為劇烈。因此,選定線長為200 m的傳輸線路進行仿真并假設故障發(fā)生相位為0°。
2.3.2 三相短路故障數(shù)據(jù)分析
圖8為系統(tǒng)只有一個異步電機處于工作狀態(tài)時,發(fā)生三相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖。
由圖8(b)、圖8 (c)和圖8 (e)、圖8 (f)的比較可知,含有變頻器時,正常運行階段和圖4相同,產(chǎn)生了250 Hz、350 Hz的諧波分量。與兩相短路情況不相同,變頻器的引入不會使三相短路故障產(chǎn)生新的諧波分量。同時,對比圖8(a)、圖8 (d)的電流波形圖,傳輸線路采用集總參數(shù)模型發(fā)生三相短路故障時會有上沖現(xiàn)象產(chǎn)生。而模型采用分布參數(shù)模型A相電流則不存在上沖現(xiàn)象。當變頻器引入采用分布參數(shù)模型的系統(tǒng)時,見圖8(d),故障發(fā)生時會產(chǎn)生復雜的振蕩現(xiàn)象,這與兩相短路的情況大不相同。
圖8 三相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖Fig.8 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with three-phase short circuit fault.
2.4.1 參數(shù)掃描
為尋找極限情況,對故障發(fā)生相位和傳輸線線長進行參數(shù)掃描,故障相位掃描結果見圖9(a),傳輸線線長掃描結果見圖9(b)。
圖9 參數(shù)掃描結果Fig.9 Parameter scanning results
由仿真結果可知,故障相位時刻對于系統(tǒng)的影響不大,線長L=200 m時,定子a、b、c相電流變化最為劇烈。因此,選定線長為200 m的傳輸線路。
2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障數(shù)據(jù)分析
圖10為系統(tǒng)只有一個異步電機處于工作狀態(tài)時,發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖。
由圖10(a)和圖10(d)可以觀察到,含有變頻器時,與圖6、圖8發(fā)生短路故障時的現(xiàn)象不同,無論是集總參數(shù)還是分布參數(shù),故障的產(chǎn)生都不會有上沖現(xiàn)象產(chǎn)生。并且無論是集總參數(shù)模型還是分布模型,故障的發(fā)生都不會對原有系統(tǒng)產(chǎn)生新的諧波分量。
圖10 堵轉(zhuǎn)故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖Fig.10 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with blocking fault
2.5.1 參數(shù)掃描
對故障發(fā)生相位和傳輸線線長進行參數(shù)掃描,故障相位掃描結果見圖11,傳輸線線長掃描結果見圖12。
圖11 故障相位掃描結果Fig.11 Scanning results of fault phase
圖12 傳輸線長掃描結果Fig.12 Scanning results of transmission line length
由仿真結果可知,當兩臺電機同時運行發(fā)生故障時,電機1定子a相電流變化最激烈的情況是α=0°,60°時,電機2定子a相電流變化最激烈的情況是α=60°,120°時。線長L=200 m電機1、電機2的定子a相電流變化最為劇烈。
2.5.2 多臺電機運行中單臺電機故障數(shù)據(jù)分析
圖13為系統(tǒng)兩臺電機同時運行時,單臺電機發(fā)生三相短路故障變頻器側(cè)B相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖。
圖13 單臺電機發(fā)生三相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應的頻譜圖Fig.13 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with three-phase short circuit fault for single motor
由圖13(a)和圖13 (d)的比較可知,故障發(fā)生時采用集總參數(shù)傳輸線會產(chǎn)生上沖脈沖,而分布參數(shù)傳輸線則會產(chǎn)生阻尼現(xiàn)象。而且集總參數(shù)模型較分布參數(shù)模型需要較大的調(diào)節(jié)時間。從圖13(b)、圖13 (c)、圖13 (e)、圖13 (f)中可以觀察到,無論是正常運行階段還是故障階段,集總參數(shù)會產(chǎn)生250 Hz、350 Hz的諧波分量,而分布參數(shù)則不會。
針對傳輸線路模型的不同,對異步電機系統(tǒng)進行了SIMULINK仿真。首先建立了其簡單電路模型,然后通過控制變量法,觀察引入變頻器和選取傳輸線路的模型對故障現(xiàn)象產(chǎn)生的影響。研究得到以下結論:
1)采用集總參數(shù)模型時所測得雷擊過電壓的幅值,較分布參數(shù)模型所得的電壓幅值偏大。
2)故障發(fā)生時,傳輸線采用集總參數(shù)模型往往會產(chǎn)生一個較大的上沖信號,而采用分布參數(shù)模型卻不會。
3)當系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時,變頻器側(cè)短路電流會產(chǎn)生復雜的振蕩現(xiàn)象,而當多電機同時運行,單臺電機發(fā)生三相短路故障時,短路電流呈現(xiàn)阻尼現(xiàn)象。不同故障類型下傳輸線分布參數(shù)模型所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象大不相同。
4)不同故障類型對集總參數(shù)模型作為傳輸線模型的系統(tǒng)影響不大,而對采用分布參數(shù)模型的系統(tǒng)有較大影響。