ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПОДАЧИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ НА ДВИГАТЕЛЬНУЮ НАГРУЗКУ И СПОСОБЫ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

УДК 621.311

DOI: 10.14529/power210107

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ПОДАЧИ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ НА ДВИГАТЕЛЬНУЮ НАГРУЗКУ И СПОСОБЫ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

C.B. Деркачёв

Донецкий национальный технический университет, г. Донецк

В работе представлены результаты исследований, направленные на обеспечение уровней токов и электромагнитных моментов синхронных и асинхронных двигателей в режимах самозапуска после работы устройств быстродействующего автоматического включения резерва, которые меньше уровня пусковых значений. В зависимости от величины угла между остаточным напряжением основного источника питания и напряжением резервного источника питания с помощью математической модели были определены диапазоны допустимых углов подачи резервного питания на асинхронные и синхронные электродвигатели при кратковременных нарушениях нормального режима электроснабжения. Предложены способы переключения на резервный источник питания, позволяющие ограничить уровни токов и электромагнитных моментов в режимах самозапуска двигательной нагрузки ниже уровня пусковых значений, которые могут быть использованы в микропроцессорных устройствах быстродействующего автоматического включения резерва. Эффективность предложенных методов подачи резервного питания подтверждена результатами математического моделирования и исследованиями на лабораторном стенде.

Ключевые слова: подача резервного питания, двигательная нагрузка, самозапуск, угол включения, быстродействующее автоматическое включение резерва.

Введение

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 самозапуска 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-

Токи самозапуска синхронного и асинхронного электродвигателей

Допустимая зона ----- Допустимая зона :

в кг ючения вкг ючени я

1п................

Электромагнитные моменты при самозапуске синхронного и асинхронного электродвигателей

!

Мп

——

Допустимая Допустимая

вкг ючения вкг ючения

1

.251__I_I_I_I_I_I__I_

О 50 100 150 200 250 300 ф, ГрЭД

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 самозапуска 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

^ = arccos

где и1А,и1В,и1С - мгновенные значения напряжений на секции основного источника питания;

и2А,и2в,и2с - 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].

1, A Ток на вводе секции основного источника питания

АДА A А А А А

0 -500

mil!

iiii

и, в Напряжение на секции основною источника питания

5000 0 -5000 1

ф, град Угол между напряжениями секций

30 20 10 0 I, A

/

/

/

Обобщенный вектор тока статора асинхронною двигателя

!

400

i

I д Обобщенный вектор тока статора синхронного двигателя

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 самозапуска электродвигателей не будет превышать пусковых значений.

1, сек

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.

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 самозапуска.

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.

Литература

1. Никулов, И. Комплекс БАВР Быстродействие повышает надёжность электроснабжения / И. Ни-кулов, В. Жуков, В. Пупин //Новости электротехники. - 2012. - № 4. - С. 2-4.

2. Жуков, В.А. Быстродействующее устройство АВР с однократным принципом определения нарушения нормального электроснабжения потребителей /В.А. Жуков, В.М. Пупин, С.И. Гамазин, А.И. Куликов, С.А. Цырук // Электрооборудование: Эксплуатация и ремонт. - 2011. - № 9. - С. 11-18.

3. Gardell, J. J9 Working Group Report to the Rotating Machinery Protection Subcommittee of the IEEE-Power System Relay Committee / Jon Gardell, Chairman Dale Fredrickson, Vice Chairman. - May 2012.

4. Сивокобыленко, В.Ф. Влияние режимов пуска и несинхронных повторных включений на срок службы изоляции / В.Ф. Сивокобыленко, В.И. Костенко // Электрические станции. - 1975. - № 7. -С. 67-71.

5. Сивокобыленко, В.Ф. Совершенствование схемы включения резервного питания асинхронных двигателей с учетом их группового выбега / В. Ф. Сивокобыленко, В.К. Лебедев, К.А. Кукуй // Научные труды ДонГТУ. Серия «Вычислительная техника и автоматизация». - 2002. - № 38. - С. 97-102.

6. Сивокобыленко, В. Ф. Анализ переходных процессов в двигательной нагрузке при переключениях питания на резервный источник / В.Ф. Сивокобыленко, С.В. Деркачев // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2016. - № 5 (547) . - С. 69-74.

7. Сивокобыленко, В.Ф. Математическая модель многомашинной системы для анализа поведения электродвигателей в режимах БАВР / В.Ф. Сивокобыленко, С.В. Деркачёв // Научные труды Дон-НТУ. Серия «Электротехника и энергетика». - 2014. - № 1(16). - С. 171-178.

8. Sivokobylenko, V.F. Method of in-phase connection of backup power in power-supply systems with motor load / V.F. Sivokobylenko, S.V. Derkachev // Russian Electrical Engineering. - 2019. - Vol. 90, no. 7. -P. 509-515. DOI: 10.3103/s1068371219070125

9. Сивокобыленко, В.Ф. Автоматизированная система переключения электропитания двигательной нагрузки на резервный источник / В. Ф. Сивокобыленко, С.В. Деркачёв // Информатика и кибернетика. -2019. - № 1 (15). - С. 13-20.

10. Сивокобыленко, В.Ф. Разработка микропроцессорного устройства для подачи резервного питания при нарушениях электроснабжения ответственных потребителей /В.Ф. Сивокобыленко, С.В. Деркачёв // Электромеханические и энергосберегающие системы. Ежеквартальный научно-производственный журнал. - 2016. - № 1 (33). - С. 97-103.

Деркачёв Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические станции», Донецкий национальный технический университет, г. Донецк; sergey_derkachev@mail.ru.

Поступила в редакцию 22 января 2021 г.

DOI: 10.14529/power210107

OPTIMIZING AND IMPLEMENTING THE SWITCHING OF MOTOR LOADS TO BACKUP POWER

S.V. Derkachev, sergey_derkachev@mail.ru Donetsk National Technical University, Donetsk

Current and electromagnetic moments of synchronous and asynchronous motors need to be below the starting values when such motors are self-starting after triggering a high-speed automatic transfer switch; this is the subject matter of this paper. A mathematical model is applied herein to find the range of permissible angle of backup power fed to asynchronous and synchronous motors exposed to short-term power deviations; the range is a function of the angle between the residual voltage of the main power supply and the voltage of the backup. The paper further proposes methods of switching to backup power that keep the currents and electromagnetic moments of self-starting motors below the starting values; these methods can be implemented in high-speed automatic transfer switch (ATS) microprocessors. Bench testing and mathematical modeling prove the proposed methods effective.

Keywords: backup power supply, motor load, self-starting, switching angle, high-speed automatic transfer switching.

References

1. Nikulov I., Zhukov V., Pupin V. [The complex FATS Performance increases the reliability of power supply]. Novosti elektrotekhniki [Electrical News], 2012, no. 4, pp. 2-4.

2. Zhukov V.A., Pupin V.M., Gamazin S.I. Kulikov A.I., Cyruk S.A. [Fast-Acting ATS Device with a Onetime Principle for Determining a Violation of Normal Power Supply of Consumers]. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont [Electric equipment: operation and repair], 2011, no. 9, pp. 11-18.

3. Jon Gardell, Chairman Dale Fredrickson, Vice Chairman. J9 Working Group Report to the Rotating Machinery Protection Subcommittee of the IEEE-Power System Relay Committee. May 2012.

4. Sivokobylenko V.F., Kostenko V.I. [Influence of starting modes and non-synchronous reclosing on insulation service life]. Elektricheskie stantsii [Power Technology and Engineering], 1975, no. 7, pp. C. 67-71.

5. Sivokobylenko V.F., Lebedev V.K., Kukuy K.A. [Improvement scheme incorporating redundant power asynchronous motors with regard to their group coasting]. Nauchnye trudy DonGTU. Seriya "Vychislitel'naya tekhnika i avtomatizatsiya" [Scientific works of DonGTU. Series "Computer Engineering and Automation"], 2002, no. 38, pp. 97-102.

6. Sivokobylenko V.F., Derkachyov S.V. [Analysis of Transients Processes in Motor Load at Switching on to Reserve Power Supply Source]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromehanika [Russian Electro-mechanics], 2016, no. 5, pp. 69-74.

7. Sivokobylenko V.F., Derkachev S.V. [A mathematical model of a multi-machine system for analyzing the behavior of electric motors in FATS modes]. Nauchnye trudy Don-NTU. Seriya "Elektrotekhnika i energetika" [Scientific works of DonNTU. Series "Electrical Engineering and Energy"], 2014, no. 1

8. Sivokobylenko V.F., Derkachev S.V. Method of in-phase connection of backup power in power-supply systems with motor load. Russian Electrical Engineering, 2019, vol. 90, no. 7, pp. 509-515. DOI: 10.3103/s1068371219070125

9. Sivokobylenko V.F., Derkachev S.V. [Automated system for switching power supply to the backup power]. Informatika i kibernetika [Computer science and cybernetics], 2019, no. 1

10. Sivokobylenko V.F., Derkachev S.V. [Development of microprocessor device for emergency power supplying at power failure of responsible consumers]. Elektromekhanicheskiye i energosberegayushchiye sistemy. Ezhekvartal'nyy nauchno-proizvodstvennyy zhurnal [Electromechanical and energy saving systems. Quarterly scientific and production journal], 2016, no. 1

Received 22 January 2021

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

Деркачёв, C.B. Определение оптимальных условий подачи резервного питания на двигательную нагрузку и способы ее реализации / C.B. Деркачёв // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2021. -Т. 21, № 1. - С. 68-74. DOI: 10.14529/power210107

FOR CITATION

Derkachev S.V. Optimizing and Implementing the Switching of Motor Loads to Backup Power. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2021, vol. 21, no. 1, pp. 68-74. (in Russ.) DOI: 10.14529/power210107