Pomiary odkształconych przebiegów prądów i napięć w układzie przenośnika taśmowego zasilanego przemiennikiem częstotliwości

Transkrypt

1 dr inż. MARCIN HABRYCH dr inż. GRZEGORZ WIŚNIEWSKI Instytut Energoelektryki Politechnika Wrocławska mgr inż. MAREK MORAWIEC JSW S.A. KWK Zofiówka mgr inż. JAROSŁAW PROKOP Południowy Koncern Węglowy S.A. ZG Sobieski mgr inż. DARIUSZ MACIERZYŃSKI Elgór+Hansen Sp. z o.o. Pomiary odkształconych przebiegów prądów i napięć w układzie przenośnika taśmowego zasilanego przemiennikiem częstotliwości W artykule omówiono wyniki badań i analizy wpływu zastosowanego przemiennika częstotliwości w układzie napędowym przenośnika taśmowego na przebiegi prądów i napięć w górniczej sieci zasilającej n.n. 1 kv. Obiektem badań był układ zasilania napędu przenośnika taśmowego w ZG Sobieski. Przedyskutowano wyniki badań i wyciągnięto wnioski dotyczące możliwości zastosowania przetwornika z rdzeniem amorficznym do pomiaru wartości skutecznych prądów i napięć przebiegów odkształconych. 1. WPROWADZENIE W układach zasilania napędu kopalnianych przenośników taśmowych coraz częściej znajdują zastosowanie przemienniki częstotliwości. Zastosowanie falowników (jak powszechnie wiadomo) wiąże się z generowaniem zakłóceń wpływających na odkształcenia przebiegów prądowych i napięciowych, które mają między innymi wpływ na jakość energii w sieciach elektroenergetycznych [1]. Wpływa to również na dokładność pomiaru mocy i energii, jak i wartości prądów i napięć stanowiących np. kryterium działania układów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej [2]. Dokładna znajomość zatem zawartości wyższych harmonicznych w przebiegach analizowanych wielkości fizycznych pozwala na właściwą ocenę ich wpływu na efektywność pracy maszyn i urządzeń elektrycznych, a także ma kluczowe znaczenie w diagnostyce. Dotyczy to zwłaszcza oceny wpływu odkształconych przebiegów prądów i napięć na straty dodatkowe w maszynach i urządzeniach elektrycznych, a także na pojawianie się pasożytniczych momentów elektromagnetycznych w silnikach elektrycznych. Generowane dodatkowe momenty pasożytnicze oddziaływają również negatywnie na dynamikę pracy układu napędowego [3]. Stosowanie więc odpowiednich przetworników umożliwiających dokładne odwzorowanie i pomiar przebiegów wartości tak skutecznych jak i chwilowych, zwłaszcza prądowych staje się dzisiaj koniecznością. 2. OBIEKT BADAŃ Obiektem badań i analiz był układ zasilania napędu przenośnika taśmowego w Kopalni Węgla Kamiennego ZG Sobieski oznaczony symbolem W-9. Przenośnik W-9 miał długość około 730 m i szerokość taśmy 1200 mm. Taśma przenośnika była napędzana dwoma bębnami sprzężonymi z silnikami asynchronicznymi trójfazowymi typu 2SG3 400S-4f na napięcie 1000V o mocy 315 kw każdy. Moment znamionowy na wale każdego silnika wynosił 2035 Nm, przy prędkości obrotowej 1478 obr/min. Silniki układu napędowego przenośnika były połączone z falownikiem oponowymi przewodami górniczymi

2 28 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA typu OnGcekż-G 06/1 kv 3 70/16 mm 2 o długości 50 m i obciążalności 288 A. Falownik był zasilany z ognioszczelnej stacji transformatorowej typu EH-d /6,0/1,0/4/0,1 o mocy 1400 kva kablami typu YHK6YFtyn 06/1 kv 3 120/35 mm 2 o długości 100 m. 3. ZAKRES I SPOSÓB PRZEPROWADZENIA BADAŃ Badania wpływu falownika na układ zasilania przenośnika taśmowego (W-9) przeprowadzono w układzie pomiarowym, którego schemat ideowy pokazano na rysunku 1. Rejestrowano przebiegi prądowe i napięciowe dla różnych warunków obciążenia przenośnika, przy czym z uwagi na rozpoznawczy charakter i zakres badań, koncentrowano się przede wszystkim na ustalonych warunkach jego pracy. W badaniach chodziło głównie o wykazanie występowania harmonicznych określonego rzędu zarówno w prądach przewodowych jak i napięciowych. Istniejący, rzeczywisty układ zasilania przenośnika wymusza zastosowanie właściwej metody pomiarowej z wykorzystaniem odpowiednich przetworników prądowo-napięciowych i przyrządów pomiarowych o wymaganej klasie dokładności w celu oceny i interpretacji fizycznej zachodzących zjawisk w zasilającej sieci elektroenergetycznej. Pomiary i rejestrację przebiegów prądowych i napięciowych wykonywano więc przy pomocy cyfrowego miernika Fluke 1760 (Rys. 2). 4. BADANIE WPŁYWU FALOWNIKA NA WIELKOŚĆ ODKSZTAŁCEŃ PRZEBIEGÓW PRĄDÓW I NAPIĘĆ Pełny cykl badań trwał 2 godziny. Rejestracja wielkości elektrycznych przebiegała w uśrednionych cyklach 10-minutowych tak, jak ilustruje to rysunek 3 i 4. Na rysunkach tych pokazano uśrednione wartości skuteczne (wszystkich 3 faz) prądów i napięć w poszczególnych cyklach pomiarowych, zawierające zarówno rozruchy, stany ustalone i hamowanie układu napędowego przenośnika. 6 kv Transformator zasilający EH-1250/6/1/3/01 1 kv PCO Przemiennik częstotliwości M1 M2 Bęben napędowy 1 Przenośnik taśmowy W9 Bęben napędowy 2 Układ pomiarowy Rys. 1. Schemat ideowy układu napędowego przenośnika taśmowego z zaznaczonym układem pomiarowym Rys. 2. Układ do rejestracji wyższych harmonicznych

3 Nr 8(486) SIERPIEŃ Rys. 3. Sposób rejestracji przebiegów prądowych w cyklach 10-minutowych w przeciągu 2 godzin Rys. 4. Sposób rejestracji przebiegów prądowych w cyklach 10-minutowych w przeciągu 2 godzin Przebiegi wartości chwilowych pomierzonych przebiegów prądów i napięć przedstawiono przykładowo dla stosunkowo niewielkiego obciążenia prądowego (około 85 A Rys. 5). Przebiegi te jak widać są znacznie odkształcone, co bardziej uwidaczniają przebiegi pokazane na rysunkach 6 i 7, wykonane dla rozszerzonej skali czasowej.

4 30 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 5. Przebiegi chwilowe napięć przewodowych i prądów przewodowych dla przebiegów w czasie 01:19:18 (Rys. 3 i 4) Rys. 6. Przebiegi chwilowe napięcia (z rysunku 5) Rys. 7. Przebiegi chwilowe prądu (z rysunku 5)

5 Nr 8(486) SIERPIEŃ Z analizy wyższych harmonicznych dla poszczególnych przebiegów prądowych i napięciowych (Rys. 8 i Rys. 9) wynika, że w przebiegach napięciowych dominują harmoniczne nieparzyste 3 h, 5 h, 7 h i 11 h. Zawartość ich waha się od 0,8% (11 h) do 2,4% (3 h). Przebiegi prądowe natomiast są bardzo silnie odkształcone z dominującą 5 harmoniczną, dochodzącą do 80% w odniesieniu do harmonicznej podstawowej. Udział wyższych harmonicznych w prądzie uwidacznia się praktycznie aż do harmonicznej 35. Nieznaczne zwiększanie obciążenia przenośnika (do około 95 A Rys. 10) skutkuje innym rozkładem zawartości wyższych harmonicznych. W napięciu wzrosła nieznacznie zawartość 5 harmonicznej do około 2,7%, zmalała natomiast 3 harmoniczna (do około 1,85%) i prawie dwukrotnie harmoniczna 7 (do około 0,9%) Rys. 11. W przebiegach prądowych zaś (Rys. 12) nadal dominujące są harmoniczne 5 i 7 o nieco niższym poziomie wartości w porównaniu do przypadku z rysunku 5. Rys. 8. Zarejestrowane harmoniczne napięć dla przebiegów z rysunku 5 Rys. 9. Zarejestrowane harmoniczne prądów dla przebiegów z rysunku 5

6 32 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys.10. Przebiegi chwilowe napięć i prądów przewodowych dla pomiarów w czasie 01:34:10 (rys.3 i 4) Rys.11. Zarejestrowane harmoniczne napięć dla przebiegów z rysunku 10 Rys.12. Zarejestrowane harmoniczne prądów dla przebiegów z rysunku 10

7 Nr 8(486) SIERPIEŃ Wyniki pomiarów wykonane w czasie 02:02:08 (Rys. 3 i 4) dla zwiększonego obciążenia przenośnika (do około 230 A) wykazały, iż praca falownika wydaje się być bardziej stabilna. Zmniejszyła się asymetria napięciowa (Rys. 13) z zauważalnym jed- nak wzrostem, do około 4%, harmonicznej 5 (Rys. 14). W prądzie natomiast zmalał udział harmonicznej 5 (do około 40%) oraz 7 (do około 16%). Zawartość pozostałych harmonicznych praktycznie nie uległa zmianie (Rys.15). Rys. 13. Przebiegi chwilowe napięć i prądów przewodowych dla pomiarów w czasie 02:02:08 (rys. 3 i 4) Rys. 14. Zarejestrowane harmoniczne napięć dla przebiegów z rysunku 13 Rys. 15. Zarejestrowane harmoniczne prądów dla przebiegów z rysunku 13

8 34 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Kolejne zmiany stopnia obciążenia przenośnika taśmowego charakteryzują się podobnymi zmianami skali odkształceń przebiegów prądów i napięć oraz odpowiadających odkształceniom zawartości wyższych harmonicznych. 5. UWAGI I WNIOSKI KOŃCOWE Zastosowanie falowników w układach napędowych przenośników taśmowych skutkuje wprowadzaniem znacznych deformacji w przebiegach chwilowych prądów i napięć i pojawianiem się w efekcie wyższych harmonicznych, głównie nieparzystych. Udział wyższych harmonicznych zależy od stopnia obciążenia przenośnika, przy czym zauważalnie maleje ze wzrostem obciążenia przenośnika. Ma to wpływ na urządzenia bezpośrednio zasilane z tego samego źródła oraz elementy elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej. Dokładna ich praca wymaga zastosowania odpowiednich przetworników, zwłaszcza prądowo-napięciowych, pozwalających na identyfikację tych procesów dla szerokiego zakresu zmian tak częstotliwości, jak i amplitudy przy zachowaniu liniowości charakterystyki czujników. Przeprowadzone wstępne badania laboratoryjne wykazały, że przetwornik z rdzeniem amorficznym wykazuje bardzo dobre własności metrologiczne dla częstotliwości prądu wejściowego równej 50 Hz. Charakterystyki przetwarzania I wy =f(i we ) zachowują bardzo dobrą liniowość w całym zakresie wartości analizowanych prądów (1 A do 960 A), błędy prądowe przetwornika są niewielkie i w zakresie prądów od 1 A do 10 A nie przekraczają 1%, w zakresie 10 A do 100 A 0,5%, a w zakresie 100A do 960 A 0,2%. Z badań tych również wynika, że częstotliwość prądu wejściowego przetwornika, w zakresie od 30 Hz do 1000 Hz, nie ma praktycznie wpływu na jego uchyby prądowe i kątowe w analizowanym przedziale wartości skutecznych prądów od 1 A do 960 A. Przetwornik z rdzeniem amorficznym może być więc stosowany do współpracy z aparaturą kontrolnopomiarową w układach, gdzie występują znaczne zawartości wyższych harmonicznych. Literatura 1. Pawłowski M.: Podstawy analizy harmonicznej odkształconych prądów i napięć w sieciach zasilających. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2010, nr 7, str Adamusiński M., Morawiec M., Jędruś T., Dariusz Macierzyński D.: Nowoczesne rozwiązania systemów zasilania, sterowania i automatyzacji na przykładzie wysokowydajnego kompleksu strugowego w JSW S. A. KWK Zofiówka. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2010, nr 7, str Ligocki P., Karolewski B.: Modelowanie współpracy bębna napędowego z taśmą przenośnika, Pr. Nauk. Inst. Maszyn, Nap. i Pom. El. PWr, Nr 56, Studia i Materiały nr 24, Wrocław, 2004, Recenzent: prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński MEASUREMENTS OF DEFORMED CURRENT AND VOLTAGE RUNS IN A BELT CONVEYOR SYSTEM SUPPLIED BY A CONVERTER The article features the tests and analyses results of the impact of a converter, used in a belt conveyor driving system, on the current and voltage runs in a low-voltage 1kV supply network of a coal mine. The object submitted to the tests was a driving system of a belt conveyor in the Sobieski coal mine. The test results were discussed and certain conclusions drawn about the possibilities to use an amorphous-core converter to measure the effective values of the deformed current and voltage runs. ИЗМЕРЕНИЯ НЕСИНОСУИДАЛЬНЫХ ПРОТЕКАНИЙ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ В СХЕМЕ ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА, ПИТАЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ В статье представлены результаты исследований и анализа влияния преобразователя частоты, использованного в приводной схеме ленточного конвейера, на протекания токов и напряжений в шахтной сети питания низкого напряжения 1КВ. Объектом исследований была схема питания привода ленточного конвейера в Горном Предприятии Собески. Проанализированы результаты исследований и сделано выводы на тему возможности применения преобразователя с аморфным стержнем для измерения значений действующих токов и напряжений несиносуидальных протеканий.