Постановка проблемы.Проблематика расширения функциональных возможностей и повышения эффективности электроприводов технологических машин шахт обусловливает необходимость широкого применения силовых преобразователей частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока в составе участковых электротехнических комплексов (ЭТК). В то же время эксплуатация подобных комбинированных ЭТК в условиях шахты допустима только при соблюдении нормативных требований по электробезопасности. Проведенные ранее исследования (В.П.Колосюк, 1980) выявили принципиальную возможность существенного влияния маловентильных выпрямительных схем на параметры устойчивости участковых аппаратов защиты от токов утечек на землю.
Учитывая, что структура современных ПЧ содержит более развитую полупроводниковую схему (управляемый выпрямитель и автономный инвертор), исследования процессов, влияющих на устойчивость функциони-рования подобной защиты в комбинированных ЭТК шахты представляют научную и практическую актуальность.
Анализ исследований и публикаций. Ранее установлено влияние на ток утечки на землю в сети с изолированной нейтралью трансформатора высших гармоник напряжения, формируемых при работе автономного инвертора ПЧ [1]. Вопросы воздействия коммутационных переходных процессов на устойчивость функционирования аппарата АЗУР-4 рассмотрены в исследовании [2].
Однако актуальным представляется проведение комплексного теоретического исследования характера влияния процессов в ЭТК участка шахты, оснащённом ПЧ, на параметры устойчивости функционирования аппарата защиты от утечек тока на землю.
Цель статьи. Установление характера влияния коммутационных пе-реходных процессов, обусловленных функционированием ПЧ в составе шахтного участкового ЭТК, на параметры устойчивости функционирования аппарата защиты от утечек тока на землю.
Результаты исследования. Поставленная задача может быть решена на основе исследования математической модели комбинированного ЭТК участка шахты средствами компьютерного моделирования. Структура ЭТК должна включать модели:
а) кабельной сети с параметрами активных и ёмкостных сопротивлений изоляции относительно земли;
б) ПЧ с учётом применения фильтра высших частот;
в) цепи оперативного тока участкового аппарата защиты от утечек тока на землю (на примере схемы аппарата АЗУР-4)
Приняты следующие допущения: параметры кабельной электрической сети являются сосредоточенными, параметры упрощенной модели асинхронного двигателя нагрузки – постоянными величинами, индуктивность L-фильтра на выходе преобразователя частоты – линейной, идеальной
Для упрощения математической модели рассмотрен частный случай, в котором трансформаторная подстанция находится вблизи ПЧ, т.е длина кабеля до ПЧ минимальна (С = 0 мкФ/фазу, R = ÷).
С учётом принятых допущений объект исследований может быть пред-ставлен следующей электрической схемой ЭТК участка шахты (рисунок 1).
Исходя из анализа схемы контроля сопротивления изоляции участковой сети в аппарате АЗУР-4, в качестве параметра, воздействующего на его исполнительный функциональный узел, может быть принято падение напряжения на резисторе R5.
Процессы в рассматриваемой схеме комбинированного ЭТК участка шахты могут быть описаны с использованием законов Кирхгофа. Система дифференциальных уравнений (1) описывает процессы в ответвлении электросети с АД и составлена относительно производных соответствую¬щих токов и напряжений [3]. После приведения к нулевым начальным условиям эта система имеет вид:
Для моделирования ЭДС преобразователя частоты использована его математическая модель с квазиоднополосной модуляцией [4], реализующая многоканальный способ преобразования параметров электромагнитной энергии сети, при котором в блоке силовых модуляторов осуществляется разветвленная пофазная модуляция напряжения Ei частоты ω1 трехфазной сети соответствующими им эквивалентными модулирующими воздействиями ΨM(i)Э(N,t,i) трёхфазной системы частоты ω2. Модель включает многопараметрическое алгоритмическое уравнение, описывающее процессы формирования выходного напряжения Ej(N,t):
где - 
мгновенные значения фазного напряжения сети, i = 1, 2, 3;
Em - амплитудное значение фазного напряжения;
N - число инверторов переменного напряжения силового модулятора напряжения сети i-й фазы.
Для силового модулятора напряжения любой из фаз, состоящего из N инверторов, эквивалентное модулирующее воздействие любого n-го из них представляется модулирующей функцией вида
где α0 - половина временного интервала длительности нулевой паузы в кривой выходного напряжения n-го инвертора;
βn - начальная фаза выходного напряжения n-го инвертора;
α1(t) - угол управления, изменение которого обеспечивает регулирование выходного напряжения каждого из инверторов.
Учитывая структурную организацию такого ПЧ, подключенного к трёхфазной сети, эквивалентное модулирующее воздействие любого из трёх силовых модуляторов описывается выражением
Подставляя (4) в (2), получим математическую модель процесса формирования выходных ЭДС. Записывая алгоритмическое уравнение (2) относительно конкретного фазного напряжения с учётом (3), получаем промежуточный результат многоступенчатого процесса формирования ЭДС. При соответствующей нормировке выражение (4) относительно питающего напряжения может быть использовано в качестве математической модели при описании электромагнитных процессов в двухзвенных ПЧ трёхфазного напряжения.
При построении математической модели цепи оперативного тока аппарата защиты необходимо использовать параметр напряжения смещения нейтрали при однофазной утечке тока на землю в сети после ПЧ
где EkA=EAejφ0kA, EkB=EB e j(φ0kA-120°), EkC=EAej(φ0kA+120°) - комплексы действующих значений выходного напряжения ПЧ;
ω1 = 2πfп.ч. – круговая частота первой гармоники напряжения ПЧ;
qA = 1/ RA, qB = 1/ RB, qC = 1/ RC - активные проводимости изоляции кабеля относительно земли;
После подстановки (6) в (5) последнее выражение преобразуется к ви¬ду, позволяющему определить параметры процесса
На основании полученных выражений, используя методы расчёта, изложенные в [2], и учитывая конфигурацию схемы аппарата защиты (см. рисунок 1), получаем систему уравнений
Параметром срабатывания АЗУР-4 является значение напряжения на резисторе R5, создаваемого его оперативным током. Формирование команды на защитное отключение сети происходит вследствие превышения этим напряжением значения UCP =2,4 В. Результаты моделирования позволили получить графики изменения во времени напряжения на резисторе R5 оперативной цепи (контролируемого параметра) с учётом ёмкости изоляции ответвления от ПЧ относительно земли (рисунок 2).
Из графиков следует, что скорость нарастания напряжения в цепи реагирующего элемента мало зависит от ёмкости сети относительно земли по-сле ПЧ. Это объясняется рациональной схемой подключения аппарата защиты и малым значением постоянной времени заряда ёмкости сети опера-тивным током. При этом быстродействие реагирования соответствует требованиям ГОСТ 22929-78.
Результаты исследования влияния уровня частоты выходного напря-жения ПЧ на параметр реагирующего элемента аппарата защиты приведены на рисунке 3.
Исследованиями математической модели структуры ЭТК участка шахты, содержащей ПЧ, установлено, что работа преобразователя частоты в рабочем диапазоне частоты выходного напряжения не оказывает существенного влияния на чувствительность участкового аппарата защиты от утечек тока на землю.
1. Обоснована математическая модель комбинированного ЭТК участка шахты, содержащего ПЧ со звеном постоянного тока. Установлен ха-рактер влияния преобразователя (при формировании рабочего диапазона частоты напряжений) на оперативный параметр реагирующего элемента участкового аппарата защиты от утечек тока на землю АЗУР-4. Обоснована необходимость разработки дополнительных технических решений обеспечения работоспособности аппаратуры защиты от утечек тока на земл ю в случае применения силовых ПЧ со звеном постоянного тока в составе ЭТК технологических участков шахты.
2. Дальнейшим направлением исследований является изучение рацио-нальных способов управления ПЧ и компенсации ёмкостных составляю-щих тока утечки на землю, исключающих существенное изменение параметров участковой аппаратуры защиты от утечек тока на землю.
1. Товстик Ю.В., Савицкий В.Н. Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт с силовыми полупровод-никовыми элементам // Гірнича електротехніка та автоматика: Наук. техн. зб. НГУ.-Дніпропетровськ, 2005. – Вип. 74.- С.36-42.
2. Маренич К.Н., Руссиян С.А. О влиянии параметров участковой электросети шахты на устойчивость работы аппарата АЗУР-4 при включе-нии кабельного ответвления // Взрывозащищённое электрооборудование: Сб.науч.тр. УкрНИИВЭ.-Донецк:ООО «Юго-Восток, Лтд», 2005.- С.84-88.
3. Дубинин М.С. Исследование процессов компенсации емкостных токов утечки на землю в комбинированном электротехническом комплексе участка шахты // Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-електро-механічна».- Донецьк: ДонНТУ, 2007.- Вип. 14 (127).- С. 167-174.
4. Макаренко Н.П. Сетевые преобразователи электроэнергии комплек-сов технических средств промышленных предприятий // Вісник УБЕНТЗ.-1999.-№1.-С.13-17.