Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуат

срок службы рудника) то концентрация газа в выработанном пространстве может составить 3,35 %.

Таблица 2

Результаты расчета концентрации метана в выработанном пространстве панелей

На втором этапе работы рассчитано время выделения избыточного объема воздуха и величина расхода воздуха с отработанных панелей в варианте полной изоляции панельных вентиляционного, транспортного и конвейерного штреков глухими перемычками при смене режима проветривания с нагнетательного на всасывающий. При этом аэродинамическое сопротивление изолирующих перемычек принято равным 41 киломюрг. Результаты расчет представлены в 3. Для расчета использовались формулы (1) (2):

где T, с – время выхода избыточного воздуха из отработанного пространства (время, за которое давления выравниваются, и расход воздуха Q(t) обращается в ноль); R, кг/м7 – аэродинамическое сопротивления пути, соединяющего выработанное пространство с сетью; V, м3 – объём выработанного пространства; P0, Па – внешнее давление воздуха (на выходе в сети); PН>P0, Па – начальное давление воздуха в выработанном пространстве;

где P , мм. вод. ст – перепад давления; R , кг/м7 – аэродинамическое сопротивления пути, соединяющего выработанное пространство с сетью.

Результаты расчета показали, что в среднем избыточный объем воздуха будет выделяться с отработанной панели в течение 8,5 часов.

На третьем этапе работы проведен анализ влияния суммарного количества загазованного воздуха, выделяющегося со всех отработанных панелей, на воздух, проходящий по главным выработкам. Для расчета использовалась формула (3):

221

где Qп – расход воздуха на панели, м3/мин; Сп – концентрация газа в струе воздуха, исходящей с панели, %; Qгл.в – расход воздуха на главном направлении, м3/мин; Сгл.в – концентрация газа в струе воздуха, проходящей по выработкам главных направлений, %; Qобщ – суммарный расход воздуха после смешивания двух струй воздуха, м3/мин.

Таблица 3

Результаты расчета времени выхода избыточного объема воздуха и величины расхода воздуха на примере 1 СЗП

В таблице 4 представлены результаты расчета суммарной концентрации газа метана в воздухе после смешивания воздуха, выделяющегося из отработанного пространства и воздуха, проходящего по выработкам главных направлений.

Результаты расчета суммарной концентрации показали, что концентрации метана не превысят предельно допустимых (даже при маловероятном условии 50%-ного разрушения всех целиков). Расчет проводился при концентрации метана 0% в выработках главных направлений, так как замеры концентрации метана в выработках главных направлений на рудниках ВКМКС показывают практически полное отсутствие метана [5].

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что при смене режима работы с нагнетания на всасывание интенсивность газовыделения из массива не увеличится, а выделение воздуха с отработанных панелей не

222

повлияет на газовую обстановку на руднике, что в свою очередь позволяет говорить о возможности применения нагнетательного способа проветривания на рудниках Верхнекамского месторождения.

Список литературы

1.Федеральные нормы и правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых: приказ от 11 декабря 2013 г. № 599.

2.Каледина Н.О. Обоснование параметров систем вентиляции высокопроизводительных угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюлле-

тень. – 2011. – № S7. – С. 261–271.

3.Полянина Т.Д., Земсков А.Н., Падерин Ю.Н. Технология и безопасность разработки Верхнекамского месторождения. – Пермь: Кн. изд-во, 1990. – 262 с.

4.Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей (технологический регламент). –СПб., 2008. – 46 с.

5.Исследование газовой обстановки в рабочих зонах пластов рудника БКПРУ-4 и разработка руководства по программному расчету систем рециркуляционного проветривания участков рудников ОАО «Уралкалий»: отчет / Отдел аэрологии и теплофизики ГИ УрО РАН. Договор № 2426/06 от 1 мая 2006.

Об авторах

Кошель Анна Вячеславовна, студентка кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия. annakoshel77@gmail.com

Исаевич Алексей Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Пермский национальный исследовательский политехнический университет; заведующий сектором рудничной вентиляции и горной теплофизики отдела аэрологии и теплофизики, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, Пермь, Россия. aero_alex@mail.ru.

About the authors

Koshel Anna Vyacheslavovna, student of the Department of mineral deposits, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia. annakoshel77@gmail.com

Isaevich Alexey Gennadievich, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Department of mineral deposits, Perm National Research Polytechnic University; Нead of sector of mine ventilation and mine thermophysics of Department Aerology and thermalphysics, Mining Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russia. aero_alex@mail. ru.

223

УДК 62.83

ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ЁМКОСТИ СИНУСНОГО ФИЛЬТРА

А.М. Турпак

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

Рассмотрено обоснование установки синусного фильтра, а также методика подбора оптимального значения его ёмкости, при эксплуатации нефтяных скважин, с погружной установкой и длиной кабельной линии более 2 км. Построена схема замещения и проведено моделирование системы для различных значений ёмкости фильтра. Произведена обработка полученного массива данных, найдены параметры для переходных и сверхпереходных значений коэффициента нелинейных искажений. Предложен критерий для выбора оптимального значения ёмкости на основе полученных данных.

Ключевые слова: преобразователь частоты, широтно-импульсная модуляция напряжения, синус-фильтр, вентильный двигатель, цилиндрический линейный вентильный двигатель, вероятностно-статистический метод.

DEPENDENCE THD VOLTAGE CHANGES

FROM SINE FILTER CAPACITY

A.M. Turpak

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia

The article considers substantiation of installation sine filter, as well as the method of selection of the optimal values of its capacity, at operation of oil wells with submersible unit and cable line over 2 km in length. A scheme of the replacement of the system was built and performed simulations for different values of the filter capacity. By processing resulting dataset, found parameters for transient and subtransient values of THD. The criterion for the selection of the optimal capacitance values based on the received data was proposed.

Keywords: frequency converter, pulse-width modulation of the voltage, the sine filter, valve engine, a cylindrical linear valve engine, probabilistic and statistical methods.

224

Энергоэффективность в наши дни имеет равный с производительностью приоритет при модернизации оборудования. В статье рассматривается основа нефтяной промышленности – нефтяные скважин, в частности увеличение коэффициента полезного действия погружных насосных установок [1] с линейными двигателями основываясь на повышении качества фильтрации питающего напряжения.

Цилиндрический линейный вентильный двигатель (ЦЛВД) [2] входит в состав привода бесштангового насоса погружных установок, погружаемых в скважины. Длина кабельной линии от преобразователя частоты (ПЧ) до такого двигателя достигает 3 км. Поэтому крайне важна качественная фильтрация питающего напряжения, так как выходное линейное напряжение ПЧ состоит из большого спектра высокочастотных гармоник. Установка фильтра является весьма эффективным решением проблемы. Чтобы после фильтрации получить необходимое синусоидальное напряжение, применяли синусный фильтр, который состоит из индуктивного элемента, последовательно с нагрузкой и конденсатора, включённого параллельно для каждой из трёх фаз. Множество методов расчёта не используют параметры кабеля и нагрузки при выборе параметров синусного фильтра. Однако [3] рассматривает метод подбора конденсаторов и индуктивных элементов фильтра, учитывая параметры нагрузки и питающего кабеля на основе значения высокочастотных гармоник тока. Подобная методика даёт возможность получить базовые величины. Но очевидно, что выбор параметров синусного фильтра, основываясь на значении токов лишь некоторых частот, не позволит получить оптимальный результат, а лишь приближённый. В результате чего разработка методики выбора оптимальной ёмкости синус-фильтра, с учётом всех высокочастотных гармонических составляющих напряжения на основе коэффициента нелинейных искажений – актуальная задача.

Синус-фильтр состоит из трёхфазной индуктивности и ёмкости, соединённой по схеме треугольник. Особенной чертой данного фильтра является то, что значение резонансной частоты должно иметь значение менее половины от несущей частоты. Данное условие обеспечивает эффективное сглаживание высокочастотных гармоник [4]. Синусный фильтр нейтрализует импульсные отражения в питающем кабеле, в результате уменьшая потери и обеспечивая надежную и долговременную работу электродвигателей. Установка синус-фильтров в некоторых странах мира обязательна.

Длямоделированияпостроенаупрощённаямодель, представленнаянарис.1. Допущения, принятые для данной схемы:

1. Исходя из симметрии нагрузки и питающего кабеля, рассматривается однофазная схема замещения;

225

U1

U23

Рис. 1. Расчётная схема цепи: U – выходное напряжение преобразователя частоты; Lф и Сф - ёмкость и индуктивность синус-фильтра; Rк - активное сопротивление кабеля; RН, LН - индуктивное и активное сопротивления нагрузки

2.Расчёт ёмкости выполняется для соединения «звезда» с возможностью пересчёта в «треугольник» в случае перехода к трёхфазной схеме замещения;

3.Индуктивная и ёмкостная составляющие сопротивления кабеля не учитываются (ввиду отсутствия испытуемого образца);

4.Модель двигателя представлена в виде статической активно-индуктивной нагрузкойсозначениямипараметров, соответствующиминачалу пуска.

Для исследования значения КНИ напряжений в зависимости от ёмкости фильтра в MATLAB, собрана математическая схема с учётом принятых допущений

(рис. 2).

1

Рис. 2. Математическая модель для исследования SIN-фильтра:

1– ШИМ-инвертор; 2 – синусный фильтр; 3 – статическая нагрузка

спараметрами ЦЛВД и с учётом активного сопротивления кабеля

Исследование модели было разделено на четыре повторяющиеся части. В первой части производился первичный расчёт схемы, и устанавливалось базовое значение исследуемой ёмкости. Во второй – вели моделирование и получение массива данных. В третьей – производили анализ данных по высокочастотным

226

гармоникам напряжения в схеме. Четвёртая часть содержит сбор расчётов и моделирования и переход к первой части со следующим базовым значением ёмкости (шаг равен 0,1 мкФ) без смены других параметров модели.

Для оптимизации выполнения опыта в Matlab был написан код, который позволил выполнять процесс моделирования и сбора данных автоматически.

КНИ напряжения, подводимого к нагрузке, представлен рис 3.

Рис. 3. Зависимость КНИ напряжения на нагрузке от Cф

По полученным результатам моделирования сделаны следующие выводы:

1.КНИ напряжения имеет характер экспоненциального затухающего переходного процесса;

2.При Cф→∞ КНИ напряжения стремится к установившемуся значению;

3.КНИ содержит как переходную, так и сверхпереходную составляющие. Основываясь на приведённых выше выводах, зависимость КНИ напряжения на

нагрузке от ёмкости рассмотрена как переходный процесс, который состоит из трёх составляющих: переходного, сверхпереходного иустановившегося значения (1).

Сначала из массива данных переходного процесса выделена постоянная составляющая, КНИ , равная 2,6%. После, для анализа данных применён веро-

ятностно-статистический метод (ВСМ) определения переходных и сверхпереходных составляющих. Согласно [5], первым этапом выполняется обработка данных на участке при Cф более 4,7 мкФ, для получения значения переходной составляющей согласно формулам (2) и (3).

227

Следующим этапом была построена модель переходного процесса, состоящая из переходной составляющей по формуле (1) и выделена сверхпереходная

Рис. 4. Математическое описание зависимости КНИ напряжения на нагрузке от Cф

В результате обработки данных получен график затухающего переходного процесса (ПП) с переходной, сверхпереходной и установившимся значением, рис.4. В качестве критерия по выбору определения оптимальной ёмкости – уста-

228

новлен коридор 5% от суммы начальных значений переходной и сверхпереходной составляющих. Данный подход основан на том, что переходный процесс рассматривается с точки зрения теории автоматического управления, где время ПП определяется 10-ти процентным коридором, посредине которого находится установившееся значение. Так как данный процесс является апериодическим и не имеет перерегулирования, то для него устанавливаются границы только с одной стороны

вразмере 5% от начального значения (для затухающего ПП).

Врезультате, оптимальное значение ёмкости составляет Cф=4,9 мкФ. При данном значении ёмкости КНИ напряжения на нагрузке составляет 3,92%.

На основе рис.4, исходя из неизменности параметров системы, можно выделить минимальное значение ёмкости.

Заключение

1.В статье рассмотрена основа методики для получения оптимальных значений ёмкости синусного фильтра с учётом параметров нагрузки и длинной кабельной линии.

2.Получено оптимальное значение ёмкости Cф = 4,9 мкФ на основе вхождения коэффициента нелинейных искажений в 5 % коридор от значения переходной составляющей КНИ.

3.Показана универсальность применяемых вероятностно-статистических методов и потенциал их применения в электротехнике.

4.Данный метод выбора ёмкости синус-фильтра, исходя из ПП КНИ напряжения, является работоспособным, однако требует дальнейших исследований, позволяющих учесть изменения параметров системы во время работы.

Список литературы

1.Сравнительные исследования энергетических характеристик приводов погружных насосов с асинхронными и вентильными двигателями: Отчет НИР. – М.: РИТЭК-ИТЦ, 2009.

2.Цилиндрический линейный вентильный электродвигатель для погружного бесштангового насоса / А.Т. Ключнков, А.Д. Коротаев, Н.В. Шулаков, С.В. Шуте-

мов // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. – 2015. – Т. 1. –

С. 158–162.

3. Турпак А.М., Ключников А.Т. Расчёт параметров LC-фильтра с учётом параметров нагрузки и длинного кабеля // Фундаментальные исследования. – 2016. –

№ 8–2. – С. 272–276.

229

4.Хабибуллин А.Т., Хасанов Д.О., Мухутдинов Р.М. Проявление высших гармоник при работе преобразователей частоты // Вестник магистратуры. – 2016. –

№1(52). – С. 65–67.

5.Вероятностно-статистические методы идентификации синусоидально возрастающих переходных процессов синхронных машин / Е.А. Чабанов, А.И. Судаков, А.М. Турпак, В.А. Лоскутников // Фундаментальные исследования. – 2014. –

№12-10. – С. 2135–2141.

6.Крылова И.А., Чабанов Е.А., Судаков А.И. Вероятностно-статистические методы анализа переходных процессов мощных синхронных машин // Инновационные технологии: теория, инструменты, практика. – 2014. – № 1. – С. 179–188.

Об авторе

Турпак Александр Михайлович, студент, Пермский национальный исследовательскийполитехническийуниверситет, Пермь, Россия. Turpak.Alexander@gmail.com

About the author

Turpak Alexander, student, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia. Turpak.Alexander@gmail.com

230