Автоматический контроль потребляемой активной мощности электродвигателем, коммутируемым высоковольтным распределительным устройством КРУВ – 6

Для оперативного управления электропотреблением промышленного предприятия, в том числе и угольной шахтой, в часы максимальных нагрузок энергосистемы требуется информация о текущем электропотреблении так называемых потребителей-регуляторов предприятия. Без такой информации также невозможно оценивать реальные резервы электросбережения и выбирать наиболее эффективные способы и меры повышения энергетической эффективности горной техники. К потребителям-регуляторам относятся мощные электропотребители, которые во время производства могут кратковременно отключаться или переводиться на пониженное потребление электрической энергии. Для шахты это подземные водоотливные установки, подъемные скиповые установки, магистральные конвейеры при бункерно-конвейерной схеме доставки угля. Для технического контроля расхода электроэнергии в этом случае можно применять средства контроля пониженной точности, причем выбор датчиков не обязательно должен делаться из госреестра

Для электропотребителей шахт, которые расположены на поверхности предприятия имеются различные приборы расхода электроэнергии. А вот для подземных электропотребителей в настоящее время не существует серийно выпускаемых технических средств контроля расхода электроэнергии. Проблема заключается в том, что число первичных датчиков в коммутационных устройствах электропривода потребителя недостаточно, чтобы реализовать стандартные схемы измерения активной мощности, потребляемой электроприемником, подключенным к трехфазной электрической сети шахты. Так, высоковольтные подземные электроустановки шахты, например, насосные установки главного водоотлива, подключаются к электрической сети посредством специальных комплектных распределительных устройств (КРУ), как правило, типа КРУВ-6, которые содержат два трансформатора тока I_A и I_C и один трансформатор напряжения U_AC [1].

На рисунке 1 приведена векторная диаграмма токов и напряжений в контролируемой шахтной трехфазной сети с изолированной нейтралью. Как видно из диаграммы, при умножении сигналов, соответствующих напряжению U_AC и одному из векторов I_A или I_C при чисто активной нагрузке сети между этими векторами существует угол сдвига фаз φ. Анализ векторной диаграммы показывает, что при вычитании векторов токов I_C и I_A получается вектор I_C-I_A, который по модулю равен , а угол сдвига фаз между этим вектором и вектором напряжения при чисто активной нагрузке равен нулю. Поэтому измерение мгновенного значения трехфазной активной мощности можно осуществить как . Причем, данный метод преобразования трехфазной мощности применим при несимметрии трехфазного напряжения до 2%.

Исходя из вышеизложенного, предлагается устройство измерения активной мощности УИАМ, которое осуществляет:

• линейное векторное преобразование сигналов измерительных трансформаторов напряжения U_AC и трансформаторов тока I_A и I_C, встроенных в высоковольтное комплектное распределительное устройство КРУВ – 6, в мгновенное значение трехфазной активной мощности;
• выдачу сигналов об активной мощности, потребляемой электродвигателем, коммутируемым высоковольтным распределительным устройством КРУВ – 6 и о расходе электрической энергии в АСУ ТП «Электроснабжение».

Структурная схема устройства измерения активной мощности УИАМ приведена на рисунке 2.

На рисунке 2 обозначено: ТН – трансформатор напряжения НОЛ.11-605; ТТ – трансформатор тока ТОЛК – 6-1; МК – микроконтроллер; УСО – блок согласования; ЛС – линия связи.

Вычитающий трансформатор тока реализует векторную разность фазных токов I_A и I_C. Сигналы от трансформаторов тока ТТ поступают в устройство по бронированному кабелю, например, типа ЭПБВ 3х16+1х6.

В блоке согласования осуществляется преобразование токовых сигналов от аналоговых датчиков в сигнал напряжения с помощью прецизионных резисторов, а также осуществляется защита микросхем устройства от возможных перенапряжений в соединительных линиях датчиков с помощью стабилитронов и резисторов, которые также обеспечивают искробезопасность линий датчиков, что важно для использования в подземных условиях шахт.

Микроконтроллер МК обрабатывает сигналы и совместно с адаптером организует передачу измерительных сигналов на поверхность шахты в ЭВМ. В качестве микроконтроллера может быть использован, например, микроконтроллер AT Mega 16, который в своей структуре содержит аналого-цифровой преобразователь АЦП для преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую форму.

Для передачи данных от микроконтроллера в ЭВМ устройство УИАМ содержит специальный адаптер с передающим блоком – передатчиком последовательного интерфейса стандарта RS-485, как наиболее применяемого в современных системах управления [2]. В качестве адаптера может быть использована, например, микросборка МАХ1480В фирмы MAXIM, которая содержит, кроме собственно приемника и передатчика, преобразователь напряжения с разделительным трансформатором для их питания и оптронные развязки входных цепей [2]. Эти элементы позволяют обеспечить гальваническую развязку линии связи и присоединяемых к ней устройств.

Следует учитывать, что на качество функционирования системы передачи данных могут оказывать влияние такие эффекты, как помехи, наведенные на линию связи, разность потенциалов земли в местах размещения технических средств системы, активные и реактивные потери мощности, а также отражения, которые могут иметь место при высоких скоростях обмена. Поэтому в качестве линии связи ЛС рекомендуется использовать экранированную витую пару, что обеспечивает как симметрию линии связи, так и повышение устойчивости к электромагнитным помехам при высоких скоростях передачи (до 10 Мбит/с). При этом необходимо использовать специальные защитные устройства [3].

Индикатор работы устройства УИАМ обеспечивает светоиндикацией обслуживающий персонал о подаче напряжения питания на устройство и передачи информации в линию связи к ЭВМ. Наличие цифрового табло о текущей величине активной мощности не предусматривается, так как устройство УИАМ располагается на корпусе КРУВ-6, а устройства КРУ располагаются в пределах подземных подстанций, где отсутствует персонал по контролю потребляемой активной мощности электродвигателем, коммутируемым высоковольтным распределительным устройством КРУВ – 6. Информация должна передаваться на поверхность шахты в ЭВМ горного диспетчера или в ЭВМ АСУ ТП «Электроснабжение».

Блок питания устройства должен быть искробезопасным.

Для устройства УИАМ характерны следующие погрешности: γ_I – погрешность, обусловленная классом точности вычитающего трансформатора тока, γ_I = ±0,2%; γ_ш – погрешность, обусловленная классом точности измерительного шунта, γ_ш = ±0.5%; γ_д – погрешность, обусловленная классом точности резисторов делителя напряжения блока согласования, γ_д = ±1%; ε – погрешность перемножения в микроконтроллере, ε = 0,25%; γ_стU – погрешность, обусловленная нестабильностью напряжения стабилизатора, γ_стU = 0,05%; γ_стI – погрешность, обусловленная нестабильностью по току стабилизатора, γ_стI = 0,5%

Предполагается, что все погрешности подчиняются нормальному закону распределения. Тогда среднеквадратичные отклонения определяются как:

где Кэ – энтропийный коэффициент для нормального закона распределения, Кэ = 2,066.

Пренебрегаем погрешностью σ_стU, так как она более чем в 5 раз меньше максимальной погрешности σ_д.

Суммарная мультипликативная погрешность составит:

Мультипликативная погрешность преобразователя:

Уравнение погрешности:

где Δ₀ – абсолютная погрешность, вызванная мультипликативной погрешностью, Δ₀ = σ_M·U_max = 0,0126·1 = 0,0126 В.

Таким образом, класс точности устройства УИАМ составит К = 1,5, что достаточно для технического контроля расхода электроэнергии потребителем.

График погрешности устройства УИАМ с учетом погрешностей трансформаторов ТТ и ТН, встроенных в КРУВ – 6, приведен на рисунке 3.

На рисунке 4 приведена градуировочная и рабочая характеристики устройства УИАМ.

Библиографический список:

1. Справочник энергетика угольной шахты: В 2 т./Под общ. Ред. Б.Н. Ванеева.– Донецк. Юго-Восток Ltd. – 2001 г. Т1 – 447 с.; Т2 – 440 с.
2. Гук М. Аппаратные интерфейсы РС. Энциклопедия – С – Пб.: Питер, 1998. – 287с.
3. Курилович Н. Не только RS 232! // Журнал «Радио», 1999, №9 – с.20-22.