Экспериментальные исследования электрических нагрузочных диаграмм электроприводов фанерного производства

Журнал: «Главный энергетик», №10, 2018г.

621.31

Experimental studies of electrical load diagrams of electric drives of plyware manufacture

Experimental studies of electric load diagrams of electric drives of plywood production are described. For the study, the company OOO “Viatskii fanernyi kombinat” was selected, which has 7 mechanisms that work with an abruptly variable load.

Kalinina E.A., Vyatka State University, city of Kirov

Keywords:loading diagrams, electric drive

Для экспериментальных исследований электрических нагрузочных диаграмм было выбрано одно из деревообрабатывающих предприятий Кировской области, поскольку в данном регионе широко развита деревообрабатывающая отрасль.

В связи с этим предварительно производились измерения на объектах:

– ООО «Монолит», д. Стулово, Кировская область. Объекты исследования: погрузочная площадка, кран ККС-10 и пилорама Beaver 523B;

– пилорама Р63-4Б, Кировская область, Оричевский район, д. Бонево, ТП 10/0,4 кВ № 307;

– пилорама Р63-4Б, Кировская область, Верхошижемский район, д. Сычево, ТП 10/0,4 кВ № 3509;

– ООО «Вятский фанерный комбинат», г. Киров, Нововятский район.

Примеры фрагментов реализаций графиков зависимости активной мощности Р(t) для механизмов объектов, на которых производились измерения, приведены на рис. 1 и 2. Для предприятия ООО «Вятский фанерный комбинат» фрагменты графиков приведены на рис. 4 и 5.

Основные результаты исследований по перечисленным объектам приведены в [1–3].

Результаты измерений показали, что на деревообрабатывающих предприятиях в технологическом процессе участвуют двигатели, имеющие повторно-кратковременный режим работы с резкопеременной нагрузкой случайного характера. Случайными являются амплитуды импульсов нагрузки, количество импульсов в цикле, продолжительность рабочего периода и холостого хода. Таким образом, результаты исследований подтверждают необходимость создания методики расчета колебаний напряжения и дозы фликера в электрических сетях, питающих асинхронные электродвигатели с резкопеременной нагрузкой случайного характера.

При исследованиях было установлено, что на пилорамах только один главный привод, создающий колебания напряжения.

У мостового крана наибольшие колебания нагрузки возникают у двигателя подъема. Для разработки методики расчета необходимо рассмотреть наиболее сложный случай питания группы асинхронных двигателей от одной секции шин трансформаторной подстанции. Поэтому в качестве объекта исследований далее был принят ООО «Вятский фанерный комбинат». На данном предприятии 7 механизмов, изменение нагрузки которых носит резкопеременный характер.

Как было сказано раньше, целью работы является расчет колебаний напряжения дозы фликера, вызываемой работой потребителей электроэнергии с резкопеременным графиком нагрузки деревообрабатывающих производств.

Доза фликера рассчитывается через размахи изменения напряжения сети, которые, в свою очередь, определяются из графика напряжения в рассматриваемой точке электрической сети. График напряжения U(t) может быть рассчитан согласно соотношению:

Из (1) видно, что для расчета U(t) необходимо знать графики активной и реактивной нагрузок электропривода.

Процесс нагружения любого механизма характеризуется нагрузочной диаграммой. Нагрузочная диаграмма является важной характеристикой работы самого исполнительного механизма и его электропривода. На основании нагрузочной диаграммы можно проверить соответствие предварительно выбранной мощности двигателя заданному режиму работы исполнительного механизма как по условиям нагрева, так и по перегрузочной способности.

В большинстве случаев нагрузочная диаграмма рассчитывается аналитически для некоторого определенного наиболее характерного цикла работы и представляет собой детерминированную функцию времени. Такие диаграммы называются расчетными. Расчетные диаграммы недостаточно достоверно отражают реальный процесс нагружения механизма, так как не учитывается влияние случайных факторов.

Случайные факторы создают в период нагружения электропривода выбросы и провалы нагрузки, которые и являются основными причинами появления размахов напряжения и фликера. Расчетные диаграммы не могут быть использованы для определения дозы фликера.

Таким образом, для расчета колебаний напряжения необходимо использовать нагрузочные диаграммы, учитывающие случайные факторы. Такие диаграммы называют статистическими.

Статистические нагрузочные диаграммы могут быть получены только на основании экспериментальных исследований на действующих предприятиях.

В данной работе описываются исследования статистических нагрузочных диаграмм электроприводов фанерного производства.

Описание объекта экспериментального исследования

Объектом экспериментального исследования является ООО «Вятский фанерный комбинат», предприятие по производству большеформатной фанеры. Место расположения объекта – г. Киров.

Электроснабжение данного предприятия осуществляется от ЗРУ-6кВ ПС 110/6 по двум взаиморезервируемым кабельным линиям на напряжение 6 кВ.

Электрические нагрузки предприятия складываются из силовых нагрузок, внутреннего и наружного освещения и составляют:

– общая установленная мощность: 10 546 кВт;

– расчетная мощность: 7922 кВт.

Для распределения электроэнергии на напряжение 6 кВ в главном производственном корпусе предприятия установлен распределительный пункт, состоящий из камер К-66 Самарского завода «Электрощит», который подключен по двум кабельным линиям от ЗРУ-6 кВ ПС 110/6 «Комбината древесных плит» (КДВП).

Электроснабжение потребителей I категории производится от независимого источника электроэнергии – ТЭЦ ООО «Энергетической компании НЛПК», подключенной к шинам 6 кВ ЗРУ 6 кВ ПС 110/6.

Для подключения нагрузок фанерного комбината на напряжение 380/220 В смонтированы четыре встроенные комплектные двухтрансформаторные подстанции: две с масляными трансформаторами мощностью 2 × 1600 кВА, одна – 2 × 1000 кВА, встраиваемые в помещение главного корпуса и одна с трансформаторами мощностью 2 × 630 кВА с распределительным пунктом 6 кВ, встраиваемая в помещение вспомогательного корпуса термомаслянной установки (ТМУ).

На данном предприятии при производстве фанеры используется оборудование с резкопеременным графиком работы.

На фанерном комбинате к оборудованию, у которого электропривод работает в режиме ПКР, относятся: барабанная рубительная машина (дробилка карандашей), корорубка, рубительные машины (для оторцовки бревен, лущения и ребросклейки и обработки побочных продуктов от обрезки), барабанная рубительная машина (дробилка шпона), линия окорки (окорочный станок), линия раскроя бревен (пилы), линия лущения (лущильный станок).

В табл. 1 приведены характеристики перечисленного выше оборудования.

Все перечисленные электроприемники запитаны от ТП-З. Схема электроснабжения приведена на рис. 3.

Программа проведения эксперимента

Цель экспериментальных исследований – изучение графиков активной Р(t), реактивной Q(t) мощностей электроприводов фанерного производства, работающих в повторно-кратковременном режиме.

Из источников известно, что механизмы испытывают воздействия случайных факторов, таких как вкрапления сучков, изменения плотности древесины, случайные изменения скорости подачи, диаметра фанерного кряжа и т. д. Процесс нагружения механизмов при этом будет не детерминированным, а случайным.

В данных исследованиях процесс нагружения электродвигателей будет изучаться в целом, без исследования влияния каждого случайного фактора в отдельности, то есть как случайный процесс.

Описание средств измерений (СИ). Схема подключения

При проведении испытаний используются следующие средства измерений (СИ):

– анализатор качества электрической энергии PQM-701;

– анализатор электропотребления AR.5 фирмы Circutor.

Анализатор качества электрической энергии PQM-701 разработан для проведения анализа основных параметров качества электрической энергии в сетях с номинальными частотами 50/60 Гц согласно действующим ГОСТ: Р 51317.4.302008 (МЭК 61000-4-30:2008) и ГОСТ Р 51317.4.7-2008 (МЭК 610004-7:2002).

Измеряемые параметры: среднеквадратичное напряжение фаза-нейтраль, фаза-фаза; среднеквадратичный ток; крест-фактор напряжения и тока; частота сети в диапазоне 40–70 Гц; активная, реактивная, полная мощность и энергия, мощность нелинейных искажений; активная и реактивная мощность гармонических составляющих; угол фазового сдвига между напряжением и током; коэффициент мощности cosϕ, tgϕ; длительная и кратковременная доза фликера Pst и Plt и другие.

Анализатор электропотребления AR.5 фирмы Circutor

Анализатор серии AR 5 является программируемым прибором, который измеряет, вычисляет и сохраняет в памяти основные параметры сетей.

Анализатор предназначен для работ по анализу любых типов электрических сетей (одно-, двухфазных, 3- и 4-проводных).

При помощи трех входов по напряжению переменного тока и четырех входов по току переменного тока (через клещи) обеспечивают измерения средних значений основных электрических параметров в соответствии с максимальными и минимальными значениями.

Анализатор имеет внутреннюю память 1 МБ для сохранения всех измеряемых параметров или вычислений для дальнейшей загрузки в компьютер. Программа поставляется изготовителем в комплекте с анализатором.

Прибор позволяет измерять следующие основные параметры сети: действительные среднеквадратичные значения (R.M.S.); мгновенные, максимальные и минимальные значения каждого отдельного электрического параметра; количество электрической энергии; гармоники; ток нейтрали.

Используемые при измерениях приборы сертифицированы и поверены согласно ГОСТ Р 8.656–2009 «ГСИ. Средства измерений показателей качества электрической энергии. Методика поверки».

Выбор места установки приборов осуществляется исходя из необходимости измерения значений активной и реактивной мощностей.

Используемые СИ устанавливались на кабельные линии отходящих фидеров, питающие двигатели, работающие в повторно-кратковременном режиме (рис. 3). Данное место установки выбрано из-за невозможности подключения СИ к зажимам главных приводов исследуемых механизмов.

Определение шага квантования и длительности измерений

При исследовании нагрузочных диаграмм асинхронных двигателей необходимо выполнить дискретизацию непрерывной кривой нагрузки, полученной при измерениях, то есть выполнить дискретизацию по времени.

Дискретизация по времени состоит в том, что непрерывный случайный процесс разбивается на N временных интервалов с длительностью каждого интервала равной

При малых шагах дискретизации

количество значений функции на отрезке обработки будет большим и точность воспроизведения – высокой. При больших – количество значений уменьшается, но при этом снижается точность воспроизведения.

Необходимо определить оптимальную дискретизацию, которая позволит производить дальнейшее исследование диаграмм асинхронных двигателей с максимальной точностью при минимальном количестве выборок.

Для определения интервала дискретизации (шага квантования) известно несколько подходов. В данной работе используется соотношение:

Например, для графика нагрузки электропривода механизма «Лущильная машина» фанерного производства шаг квантования при: t п = 2 с, T = 552, с:

Для остальных исследуемых электроприводов величина шага квантования приведена в табл. 3.

Из полученных результатов видно, что величина шага квантования для исследуемых механизмов находится в интервале 0,99–0,999 с. Для получения исходных нагрузочных диаграмм использовался прибор, у которого шаг квантования измерений Dt = 0,2, с. Следовательно, данные, полученные в ходе экспериментальных исследований, являются достаточно точными.

Для ускорения процесса обработки параметров нагрузочных диаграмм, полученных при измерениях, целесообразно их ввести в ЭВМ. Согласно [4] при анализе нагрузочных диаграмм с помощью ЭВМ необходимо полученный при исследовании непрерывно записанный средствами измерения процесс заменить цифровой случайной последовательностью с постоянным шагом квантования по времени:

Необходимое время реализаций определяется требуемой точностью вычисления статистической оценки изменения нагрузки.

Не превышая допустимую погрешность, минимальную длину реализаций можно определить согласно соотношению [4]:

Относительная средняя квадратическая погрешность вычисления корреляционной функции принимается 5–10%, то есть ηд = 0,05–0,10.

Длина реализации при исследовании электропривода механизма «Лущильный станок»: T = 40 с.

При выполнении экспериментальных исследований длительность реализаций для данного механизма составила 552 с. Соответственно измерения выполнены с большим запасом по длительности.

Для остальных механизмов значения необходимой и принятой в ходе измерений длительности реализаций приведены в табл. 4.

При измерениях использовался прибор PQM-701, согласно техническому паспорту для данного прибора длительность регистрируемых событий T варьируется от 0,1 сек. до 1 месяца. При проведении измерений длительность измерений для каждого исследуемого электроприемника составляла T ≈ 20, мин. (±2 мин.).

Период усреднения измерений принят максимально точный T у = 200 мс.

Выбранный интервал периода усреднения дает возможность зафиксировать перечень необходимых величин (U, I, P, Q) и получить более точные значения измеряемых параметров.

В соответствии с данными, приведенными в табл. 3 и 4, а также требованиями ГОСТ 32144-2013, где величина Рst оценивается на интервале времени 10 мин., видно, что полученные в ходе экспериментальных исследований результаты являются максимально точными и полными, соответственно, их использование возможно для построения нагрузочных диаграмм.

Статистическая обработка результатов исследований

Для наглядности результаты измерения Р(t) и Q(t) оформлены в виде ансамбля реализаций. На рис. 4 приведен фрагмент реализации графика P(t), а на рис. 5 – фрагмент реализации графика Q(t) для электродвигателя механизма барабанной рубительной машины «Дробилка карандашей».

При обработке первичной информации определялись усредненные статистические нагрузочные диаграммы, представляющие собой совокупность наиболее вероятных значений характерных точек нагрузочных кривых Р(t) и Q(t). Кроме того, определялись параметры электропотребления обследованных механизмов: – эффективная активная мощность за цикл Pэф.ц;

– эффективная мощность за время загрузки в цикле Pэф.р;

– средняя мощность за время загрузки в цикле P ср.р;

– коэффициент формы графика за цикл Kф.ц;

– продолжительность включения (ПВ).

Перечисленные параметры определялись по соотношениям из [5, 6]. Значения данных параметров приведены в табл. 5.

При определении усредненных нагрузочных диаграмм в качестве Р(t) и Q(t) вычислялись точки экстремума (пики и провалы) этих графиков. При этом для ординат у графиков Р(t) и Q(t) применялось неравномерное квантование по уровню и каждое из частных значений реализации рассматриваемых случайных процессов округлялось до среднего значения разряда уровней. При неравномерном квантовании повышается точность определяемых параметров. На рис. 6 приведен пример операции квантования для участка графика нагрузки электродвигателя механизма барабанной рубительной машины «Дробилка карандашей».

В табл. 6 приведено количество амплитуд, попавших в интервал квантования для периодов работы.

Квантование периодов холостого хода проводилось аналогичным образом.

Ширина шага квантования DP(t i ) уровня выбиралась таким образом, чтобы математическое ожидание экстремума функции в разряде определялось с погрешностью не более 5%.

Согласно [7] доверительный интервал математического ожидания функции:

Для нормального закона распределения ошибки определения m tβ = 1,96 при заданной надежности β = 0,95.

Тогда:

где Др – дисперсия функции внутри разряда уровня квантования;

n р – минимальное количество попаданий в разряд уровня квантования, необходимое для определения m с погрешностью не более 5%.

Исходя из требуемого n р, определялась ширина разряда.

На рис. 7–13 представлены усредненные статистические нагрузочные диаграммы по активной Р(t) и реактивной Q(t) мощности обследованных механизмов. Для удобства использования полученных диаграмм при проектировании электроснабжения аналогичных механизмов они построены в относительных единицах. Здесь за базисную величину принята эффективная мощность за время нагружения Pэф.р.

Анализ графиков работы обследованных механизмов показал, что их двигатели работают в повторно-кратковременном режиме. При этом период нагружения (период загрузки) чередуется с периодом работы на холостом ходу. Двигатели главных приводов от сети не отключаются.

Вспомогательные электродвигатели обследованных механизмов включаются в работу в период холостого хода главного привода. Значительные колебания нагрузки в период нагружения электродвигатель испытывает под воздействием случайных факторов: изменения плотности древесины, вкрапления сучков, неравномерная скорость подачи сырья и случайный диаметр заготовки. В связи с этим при исследовании графиков Р(t) и Q(t) их следует рассматривать как случайные процессы.

Результаты статистической обработки этих графиков показали, что их математические ожидания и дисперсии существенно изменяются во времени. Поэтому графики P(t) и Q(t) нельзя рассматривать как стационарные случайные процессы. Их можно классифицировать как периодические нестационарные процессы.

Полученные в работе усредненные статистические нагрузочные диаграммы и параметры электропотребления обследованных механизмов предлагается рассматривать как типовые и использовать их в процессе проектирования аналогичных производств для решения следующих задач: выбор мощности асинхронных электродвигателей; выбор сечения кабелей, питающих механизмы; выбор мощности силового трансформатора, питающего механизмы; расчет колебаний напряжения, вызываемых работой электродвигателей с резкопеременной нагрузкой; расчет дозы фликера, возникающей при питании электроприводов с резкопеременной нагрузкой; выбор мощности управляемых батарей конденсаторов для компенсации резкопеременных реактивных нагрузок.

В процессе получения усредненных статистических диаграмм были расчитаны по известным соотношениям из [5, 6] величины эффективной активной мощности за цикл Pэф.ц; эффективной мощности за время загрузки в цикле Pэф.р; средней мощности за время загрузки в цикле P ср.р; продолжительность включения (ПВ). Полученные значения перечисленных величин представлены в табл. 5.

Настоящий этап исследований имеет самостоятельное практическое применение: выбор мощности асинхронных электродвигателей; выбор кабелей, питающих электроприводы с резкопеременной нагрузкой стохастического характера.

Согласно [8] выбор сечений жил кабелей выполняется по ряду технических условий. Одно из условий – выбор по нагреву. Основным условием выбора сечений проводников по нагреву является:

При выборе сечений проводников, питающих электроприемники с повторнократковременным характером работы, в качестве расчетного значения тора следует принимать его эффективное значение [8].

Выбор мощности асинхронных двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, описан в [9]. При повторно-кратковременном режиме статический эквивалентный (среднеквадратический) момент Mс.э определяется с учетом действительной продолжительности включения ПВ. Далее производится пересчет мощности с действительной на каталожную [9]:

Используя результаты расчетов (12), по каталогу предварительно выбирается двигатель. Согласно [9] окончательный выбор мощности двигателя производят по нагреву с последующей проверкой по перегрузочной способности. Для этого строят нагрузочные диаграммы привода, учитывающие переходные процессы. Нагрузочные диаграммы, полученные аналитическим путем, не учитывают случайный характер нагрузки. Поэтому при проектировании, когда нет таблиц коэффициентов случайного воздействия, рекомендуется использовать усредненные статистические нагрузочные диаграммы [9].

Мощность электропривода определяется по формуле аналогичной (12), а усредненная статистическая нагрузочная диаграмма служит вспомогательной контрольной диаграммой для коррекции расчетов по нагреву и перегрузочной способности:

ВЫВОДЫ

1. Исследованы электрические нагрузки механизмов ряда деревообрабатывающих производств. Установлено, что в период нагружения асинхронные двигатели обследованных механизмов деревообрабатывающих производств работают в повторнократковременном режиме. Их нагрузка испытывает значительные колебания под воздействием случайных факторов. Графики нагрузок P(t) и Q(t) являются случайными процессами. Для исследования электромагнитной совместимости таких электроприводов с питающей их электрической сетью необходимо на стадии проектирования иметь методику расчета колебаний напряжения и дозы фликера.

2. Получены параметры электропотребления и усредненные статистические нагрузочные диаграммы электроприводов механизмов фанерного производства. Предлагается использовать эти диаграммы как типовые при проектировании аналогичных производств, для решения ряда задач электроснабжения:

– выбор мощности асинхронных электродвигателей;

– выбор сечения кабелей, питающих электродвигатели;

– выбор мощности силового трансформатора, питающего электродвигатели;

– расчет колебаний напряжения, вызываемых работой электродвигателей с резкопеременной нагрузкой;

– расчет дозы фликера, возникающей при питании электроприводов с резкопеременной нагрузкой;

– выбор мощности управляемых батарей конденсаторов для компенсации резкопеременных реактивных нагрузок.